Los biocombustibles (2a. ed.).pdf

ENERGÍAS ENERGÍAS RENOVABLES RENOVABLES

Los biocombustibles

2.a edición

Subido por:

Libros de Ingeniería Química y más

https://www.facebook.com/pages/InterfaseIQ/146073555478947?ref=bookmarks

Si te gusta este libro y tienes la posibilidad, cómpralo para apoyar al autor.

ENERGÍAS ENERGÍAS RENOVABLES RENOVABLES

Los biocombustibles Manuel Camps Michelena Francisco Marcos Martín

2.a edición

Ediciones Mundi-Prensa Madrid • Barcelona • México 2008

Grupo Mundi-Prensa • Mundi-Prensa Libros, s. a. Castelló, 37 - 28001 Madrid Tel. +34 914 36 37 00 - Fax +34 915 75 39 98 E-mail: [email protected] • Internet: www.mundiprensa.com • Mundi-Prensa Barcelona • Editorial Aedos, s. a. Aptdo. de Correos 33388 - 08080 Barcelona Tel. +34 629 26 23 28 - Fax +34 933 11 68 81 E-mail: [email protected] • Mundi-Prensa México, s. a. de C. V. Río Pánuco, 141 - Col. Cuauhtémoc 06500 México, D. F. Tel. 00 525 55 533 56 58 - Fax 00 525 55 514 67 99 E-mail: [email protected]

© 2008, Manuel Camps Michelena Francisco Marcos Martín © 2008, Ediciones Mundi-Prensa, Madrid Depósito Legal: M. 27.384-2008 ISBN: 978-84-8476-360-4

CAMPS, Manuel y MARCOS, Francisco. Lo biocombustibles. 2.a ed. Madrid: Ediciones MundiPrensa, 2008. 384 p.; 16,5 x 23,5 cm ISBN: 978-84-8476-360-4 Materia:

No se permite la reproducción total o parcial de este libro ni el almacenamiento en un sistema informático, ni la transmisión de cualquier forma o cualquier medio, electrónico, mecánico, fotocopia, registro u otros medios sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN Imprime: Artes Gráficas Cuesta, S. A. Seseña, 13. 28024 Madrid

Autores Manuel Camps Michelena Catedrático de la Universidad Politécnica de Madrid

Félix Hernández Álvarez Investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas

Francisco Marcos Martín Profesor de la Universidad Politécnica de Madrid

Colaboración de:

Luis García Benedicto Ingeniero de Montes

Inés Izquierdo Osado Ingeniero de Montes

Paloma López Freire Ingeniero Agrónomo

Jesús Ruiz Castellano Ingeniero de Montes

Agradecimientos Queremos agradecer, desde esta página, a aquellos que, directa o indirectamente, han colaborado para la realización de esta obra: A nuestros compañeros y amigos Margarita Ruiz Altisent, coordinadora del trabajo «Biofuels», de 1994, para la DG XII, y Jaime Ortiz-Cañavate, autor de los capítulos 1 y 3, referentes a aceites y gases, respectivamente, base de parte de este libro. Asimismo, al resto de colaboradores del citado trabajo, sin los que no nos lo hubieran propuesto. A la ingeniero agrónomo D.a Paloma López Freire, con la que tuvimos el gusto de trabajar directamente en el proyecto ALTENER, y del que se extrae el capítulo 8. Al compañero y amigo, también, Santiago Villegas Ortiz de la Torre quien, una vez más, nos ayudó con sus consejos y su presencia en el trabajo, así como en la corrección de alguno de los capítulos de este libro. A Beatriz Palancar Hermosilla, Jesús Ruiz Castellano y a Inés Izquierdo Osado y Julián Roy, que se ocuparon de labores de secretaría, ocultas pero eficaces.

Presentación Es para mí un honor prologar este libro de mi amigo Manuel Camps Michelena, antes catedrático de Motores en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos de Córdoba y en la actualidad en la de Madrid, y del entusiasta profesor Francisco Marcos Martín, que también dicta clases de Termodinámica en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes de nuestra Universidad. Manuel Camps empezó hace ya veinte años a dirigir trabajos de investigación en Córdoba, relacionados con el uso de los aceites vegetales en motores de ciclo Diesel, siendo uno de los pioneros en España de este tipo de investigaciones. Sus conocimientos y prestigio le llevaron a colaborar en la publicación «Biofuels» de la DG XII (perteneciente a la Unión Europea). Francisco Marcos ha publicado numerosos artículos en revistas españolas y ha dictado cursos de postgrado tanto en España como en Argentina en los que se ha ocupado de los combustibles forestales. Esta publicación es fruto del trabajo de todos estos años. Se trata de una obra madura que surgió a raíz de un proyecto de investigación de la convocatoria ALTENER, financiado por la Unión Europea, y que llevó por título «Energetic planning in the Madrid region», y en el que también colaboraron Luis García Benedicto y Paloma López Freire. En el libro se consideran los combustibles vivos, que los autores denominan, con muy buen criterio, biocombustibles. Tras unos conceptos previos, el libro tiene cuatro partes claramente diferenciadas. En la primera se aborda el tema de los biocombustibles sólidos, (paja, cardo, leñas, astillas, pelets, briquetas y carbón vegetal). La importancia del uso de estos vectores energéticos trasciende el mundo de la energía para adentrarse en el del medio ambiente y de la estabilización poblacional en regiones rurales. Cultivos agroenergéticos y trabajos selvícolas, antes no rentables, pueden empezar a serlo si se hace un uso energético de los bienes generados. Además, la industria de la madera ha usado este tipo de material para generar calor y energía eléctrica con un ahorro considerable de combustibles fósiles. Importante es, asimismo, la segunda parte, dedicada a los biocombustibles líquidos de origen agrícola. Precisamente, la publicación «Biofuels», de la DG XII, representó un estudio del estado del arte de este tipo de combustibles, y esta segunda parte se basa en los dos primeros capítulos de este trabajo (realizados ya entonces por los profesores

Manuel Camps y Jaime Ortiz-Cañavate). El Ministerio francés de Agricultura recibió a finales de 1998 un informe realizado por el Director General de una de las empresas químicas más importantes de Francia, Rhone-Poulenc, referente a la posibilidad de utilizar los cultivos agrícolas con fines no alimentarios. Se observan cuatro destinos para estos productos, siendo el primero el uso masivo de biocombustibles líquidos (añadidos en un porcentaje variable) en las grandes ciudades. Este empleo, como se explica en el libro, supone que, en algunos casos, no habría que modificar motores, su coste sería bajo y la reducción de la polución en las grandes ciudades sería del orden de un 10%, según indica también Jaime Lamo de Espinosa. Desde el punto de vista agronómico, se estudian los cultivos de dos importantes especies oleícolas. La tercera parte, relativa a gases, tiene en cuenta los dos tipos que se vienen empleando desde hace ya mucho tiempo: el biogás, presente en gran cantidad de instalaciones familiares a lo largo y ancho del mundo, y el gas de gasógeno (producer gas), que aparece en tiempos de crisis y guerras, y, en general, siempre que hace falta, debido a la escasez de combustible convencional en países no productores de petróleo. La cuarta parte, que consta de un solo capítulo, se dedica a los aspectos ambientales, íntimamente relacionados con aspectos sociales, educacionales y políticos, del uso de los biocombustibles. Pienso que es un libro útil y, sobre todo, muy actual. Útil, porque toda bibliografía relacionada con las energías renovables, y más en español, es siempre bien acogida y bienvenida en el mundo universitario, que tiene falta de ella. Actual, porque el tema está presente a diario en el mundo de la energía, por los motivos ya señalados, no sólo económicos sino también ambientales y sociales, cada día más tenidos en cuenta por los encargados de la planificación energética. Felicito de antemano a sus autores y deseo que el libro cumpla los objetivos para los que ha sido escrito. Saturnino de la Plaza Rector de la Universidad Politécnica de Madrid

Prólogo Cada día cobra más importancia e interés la obtención de combustibles a partir de materias renovables, tratando de sustituir a los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural). Estas materias renovables son los llamados biocombustibles, que pueden ser sólidos (paja, cardo, leñas, astillas y carbón vegetal, por ejemplo), líquidos (aceites, metilésteres, alcoholes, ...) o gaseosos (los diferentes biogases). En este libro nos detenemos a realizar un estudio de los biocombustibles sólidos y líquidos considerando sus propiedades físico-químicas, su forma de obtención y sus usos. Tras una introducción en la que se presentan los conceptos fundamentales, la primera parte se dedica a los biocombustibles sólidos: Paja, cardo, leñas, astillas, pelets, briquetas y carbón vegetal. El director de esta parte es el profesor Manuel Camps, está ocupada con temas referentes a los biocombustibles líquidos. La publicación va destinada a dos tipos de público. El primero a estudiantes de las ramas de ingeniería agronómica, forestal, industrial y de minas y a estudiantes de Ciencias Físicas, Químicas y Biológicas que realizan trabajos de investigación o de pura consulta bibliográfica relacionada con las energías renovables, la planificación energética o el impacto ambiental en el mundo de la energía. El segundo, a las personas que desde las empresas privadas o desde la administración se ocupan de estos temas. La necesidad de datos que estas personas demandan es cada día mayor, pues la realización de proyectos o la necesidad de toma de decisiones en planificación energética demanda conceptos y datos que pueden ser consultados en este libro. En definitiva, se trata de hacer llegar a las personas que nos rodean datos que no siendo muy novedosos muchos de ellos, hemos ordenado y clasificado para que sean útiles a los lectores de este libro. Las tablas de unidades finales se deben al encomiable trabajo de José Ignacio de la Fuente Domínguez, profesor de Física en el Instituto de Enseñanza Secundaria de Madrid quien, dirigido por los autores y con gran meticulosidad, ha realizado un gran esfuerzo tras la consulta de libros de Física y horas de trabajo personal. Pensamos que su utilidad es grande, pues la energía se contempla desde usos muy distintos y se mide desde ópticas muy diferentes (energía térmica, energía calorífica, energía eléctrica, energía derivada de la transformación de masa en energía, ...).

Índice general 0.

Perspectivas de las energías renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.

Presente y futuro de los biocombustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.

Paja y otros biocombustibles sólidos agrícolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

3.

Leñas y astillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

4.

Biocombustibles sólidos densificados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

137

5.

Carbón vegetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

169

6.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles . . . . . . . . . . . . . . . . .

205

7.

Los biocombustibles líquidos. Aceites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

243

8.

El cultivo de la colza y del girasol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

273

9.

Planta de metiléster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

301

10.

Alcoholes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

311

11.

Combustibles gaseosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

335

12.

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles . . . .

343

0 Perspectivas de las energías renovables

Félix Hernández Álvarez

ÍNDICE 1. Introducción. 2.

La Directiva europea de promoción de ER en la generación eléctrica.

3.

Impacto de las ER en el empleo y en el crecimiento económico.

4. Perspectivas en el mercado mundial de las TER. 4.1. Minihidráulica. 4.2. Eólica. 4.3. Fotovoltaica. 4.4. Biocombustibles. 5.

Estado de las TER en Europa. 5.1. Objetivos. 5.2. Producción y consumo. 5.3. Estado de las TER. 5.4. Situación de cada Estado miembro.

6. Desarrollo de las TER en España. 6.1. Antecedentes de energía. 6.2. Objetivos. 6.3. Producción y consumo. 6.4. Estado de las TER. Bibliografía.

1. Introducción La colección de Energías Renovables (ER) que la editorial Mundi-Prensa estrena con este número 1 titulado «Los biocombustibles» nace en un contexto europeo de decidida promoción. El Libro Blanco de la Comisión Europea (CE) (COM, 1997) ha establecido que el 12% del consumo bruto de la energía proceda en el año 2010 de fuentes renovables. Esta medida complementa el compromiso del Protocolo de Kioto (PK) adquirido para el periodo 2008-12 por la Unión Europea (UE), que consiste en reducir las emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero (GEI) el 8% respecto a los niveles de emisión de 1990. El PK acordado en diciembre de 1997 contempla distintos procedimientos para flexibilizar la acotación de emisiones de los países desarrollados: la negociación global de permisos de emisión de CO2, los proyectos de realización conjunta entre países desarrollados y los proyectos de desarrollo limpio (PDL) entre países desarrollados y no desarrollados, los dos últimos previstos para fomentar iniciativas de cooperación voluntaria entre Estados. Estos tres procedimientos económicamente eficientes, abiertos con la intención de neutralizar parcialmente las emisiones de GEI, fueron pensados para facilitar la ratificación del PK con el mínimo coste de reducción de emisiones. Sin embargo, hasta la fecha ésta no se ha producido. La permanente demora de la ratificación ha forzado a la búsqueda de soluciones complementarias al problema del cambio climático. Mientras se reafirman los compromisos de Kioto, muchos países han resuelto apoyar las ER como medida preventiva del calentamiento global. De este modo, el PK ha marcado un importante punto de inflexión en el esfuerzo por promover mundialmente las ER. Kioto las sitúa en una posición estratégica clave como solución para alcanzar los objetivos de reducción de las emisiones de GEI y ha creado un clima muy favorable para el desarrollo de tecnologías de ER (TER). Desde entonces, las expectativas de las distintas TER en los ámbitos nacional e internacional son muy notables. Así pues el PK se constituye en hito esencial de aceleración del desarrollo de políticas y mercados de TER, y el cambio climático se muestra cada vez más determinante en su desarrollo mundial futuro, estimulando el carácter global de sus mercados, ya puestos en marcha. Resulta por tanto obligatorio para aquellas empresas o equipos de investigación interesados en las ER seguir muy de cerca la evolución de las negociaciones del PK en general, y de los estudios del cambio climático en particular. 15

16

Los biocombustibles

Sin embargo, la ejecución de las medidas reductoras de emisiones establecidas en el PK plantea muchas incertidumbres en los años próximos. Y es que la ratificación y el cumplimiento se presentan altamente complicados, sobre todo por la extensión del compromiso (la inclusión o no de los países en vías de desarrollo) y por el grado de acotación previsto en los procedimientos contemplados en el PK para flexibilizar la reducción de emisiones. Tras la cumbre de Kioto fueron descubiertos amplios desacuerdos entre los países desarrollados y se tendrá que trabajar de firme en sus parlamentos e instituciones nacionales si se quiere lograr la total ratificación. Habrá que trabajar también en el marco internacional de la United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), esa ONU verde donde cualquier propuesta precisa de un consenso amplio si quiere verse confirmada por el éxito, y perseverar en el esfuerzo en las sucesivas convocatorias anuales, hasta conseguir la ratificación del compromiso. Todo ello significa que el proceso para controlar la concentración de GEI se presente lento y difícil, y que los inversores y promotores de TER tengan que combinar el esfuerzo, el riesgo y la información bien seleccionada para ganar ventaja en las oportunidades de mercado que se abran en el siglo recién estrenado. Algunas de las grandes multinacionales ya han tomado posiciones. En el año 1997 British Petroleum, Royal Dutch Shell y Tomen Corporation han anunciado mayores inversiones en energía solar y eólica, lo que ha acelerado el crecimiento de estas TER. Instituciones financieras como el Global Environmental Facility y el Banco Mundial están trabajando en los nuevos planes de desarrollo de los procedimientos previstos en el PK para neutralizar parcialmente las emisiones de GEI mediante inversiones. Principalmente los ya mencionados PDL de alcance internacional están poniéndose en marcha aceleradamente para canalizar fondos hacia proyectos en países en vías de desarrollo. A través de ellos se puede incrementar sustancialmente el apoyo financiero para promocionar TER en esos países, así como en los del antiguo bloque del este europeo. La comunidad científica también propone acciones más decididas que las inciertas políticas de ER sostenidas hasta ahora por la mayoría de los gobiernos mundiales, a pesar de las incertidumbres inmanentes del cambio climático. La promoción de TER como medida de reducción ofrece una doble ventaja: la diversificación energética y una fórmula de crédito para evitar la crisis global del clima hasta la ratificación del PK. En efecto, el fomento de TER representa una reducción relativa del consumo de combustibles, pero también la opción más aceptable para neutralizar las emisiones de GEI mientras se desarrollan plenamente los procedimientos contemplados en el PK. Esta apuesta a favor de TER obliga a sus promotores -empresas, defensores y gestores- a apoyar aquellas posiciones que defienden: • El compromiso activo en la realización y consolidación de programas nacionales de promoción de TER con el propósito de acelerar la mitigación del CO2 en los procesos energéticos. • La participación en políticas internacionales nuevas, sobre todo las decididas en el marco de la UNFCCC. • La preparación para un potencial crecimiento explosivo de mercados de TER en varias regiones durante los próximos años, especialmente en el sur de Europa, China e Iberoamérica.

Perspectivas de las energías renovables

17

2. La Directiva europea de promoción de ER en la generación eléctrica La CE ha adoptado el 10 de mayo de 2000 una propuesta de Directiva para promocionar ER destinada a generar electricidad. Esta propuesta contribuye como medida complementaria a los compromisos de Kioto de la UE fijando el objetivo de doblar la cuota de consumo de energía primaria proveniente de TER. Se trata de alcanzar el 12% el año 2010 partiendo del 6% actual. La Directiva compromete a todos los Estados miembros en la promoción del uso de TER para la generación de electricidad en un plazo de 5 años (2006-2010) y señala la necesidad de incluirlas como una opción seria para alcanzar el objetivo de reducción de los GEI. La tabla 0.1 presenta los acuerdos de los Estados miembros de la UE para reducir los GEI en concordancia con las cuotas de contribución asignadas y los objetivos de despliegue de TER propuestos. TABLA 0.1 Cuotas de reducción de GEI, contribución asignada y objetivos de TER de los Estados miembros de la UE País

Emisiones GEI 1990 (%)

GEI acordado* (%)

Consumo eléctrico TER (%)

Objetivo TER (%)

Alemania . . . . . . . . . . . Austria . . . . . . . . . . . . . Bélgica . . . . . . . . . . . . . Dinamarca . . . . . . . . . . España . . . . . . . . . . . . Finlandia . . . . . . . . . . . Francia . . . . . . . . . . . . . Grecia . . . . . . . . . . . . . Holanda . . . . . . . . . . . . Irlanda . . . . . . . . . . . . . Italia . . . . . . . . . . . . . . . Luxemburgo . . . . . . . . . Portugal . . . . . . . . . . . . Reino Unido . . . . . . . . . Suecia . . . . . . . . . . . . .

27,7 1,7 3,2 1,7 7,0 1,7 14,7 2,4 4,8 1,3 12,5 0,3 1,6 17,9 1,6

-21 -13 -7,5 -21 15 0 0 25 -6 13 -6,5 -28 27 -12,5 4

2,4 10,7 0,9 8,7 3,6 10,4 2,2 0,4 3,5 1,1 4,5 2,1 4,8 0,9 5,1

10,3 21,1 5,8 29,0 17,5 21,7 8,9 14,5 12,0 11,7 14,9 5,7 21,5 9,3 15,7

UE . . . . . . . . . . . . . . .

100,0

-8

3,2

12,5

Fuente: (Morthorst, 2000). * El signo negativo indica el déficit de emisión del año 1990 (países deficitarios), y el positivo, la cuota de emisión disponible del año 1990 (países excedentarios).

La Directiva pretende crear un marco de promoción significativo de TER a medio plazo. Está orientada a la toma de medidas oportunas que aseguren la promoción conforme con los objetivos energéticos y ambientales de cada Estado y de la propia UE. Aunque ofrece un marco de regulación futuro, propone una autonomía amplia a cada Estado miembro, respetando el principio del derecho subsidiario. También propugna una serie de medidas inmediatas y a largo plazo, que se pueden englobar en tres: • Obligar a los Estados miembros a establecer objetivos individuales para el consumo futuro de electricidad generada a partir de TER.

18

Los biocombustibles

• Solicitar objetivos cuantitativos libremente elegidos por los Estados miembros con la perspectiva de maximizar la penetración de TER en la oferta energética. • Conjugar los objetivos nacionales con el objetivo europeo del 12% del consumo de energía primaria, el objetivo específico de consumo de electricidad de fuentes renovables y los acuerdos de cambio climático. Aunque la Directiva no propone una estructura armonizada de la UE para la incorporación de TER a la red eléctrica, la CE está comprometida a desarrollarla en los próximos cinco años. La propuesta tomará en cuenta las experiencias de los distintos Estados miembros al aplicar los respectivos sistemas de apoyo nacionales. Además, la Directiva confirma la aplicación de sistemas de ayuda estatal dentro de la UE fundamentados en la protección ambiental. Finalmente, obliga a los Estados miembros a garantizar el acceso de TER a las redes eléctricas, a que la certificación de ER sea precisa y veraz, a la coordinación y expedición de autorizaciones para instalar plantas de generación de electricidad verde, es decir procedente de TER, y a que el cálculo de costes de conexión de los nuevos productores de electricidad sea transparente y sin discriminaciones.

3. Impacto de las ER en el empleo y en el crecimiento económico La CE aprobó un proyecto en 1998 por iniciativa de EUFORES1 y con el apoyo del programa ALTENER, que ha promovido acciones específicas a favor de una mayor penetración de las TER por Decisión de la CE de 13 de septiembre de 1993. El estudio se ha realizado siguiendo el modelo Strategic Assessment Framework for Rational Use of Energy (SAFIRE)2. Su objeto principal ha sido valorar las ventajas sociales y económicas de las TER respecto a las energías convencionales. La tabla 0.2 representa las contribuciones previstas de las TER a corto (hasta el año 2005), medio (hasta el 2010) y largo plazo (hasta el 2020). TABLA 0.2 Contribución prevista de las TER a la demanda total energética de la UE Año

Demanda total energética* (TWh) . . . TER producida** (TWh) . . . . . . . . . . Contribución de TER* (%) . . . . . . . . .

1995

2005

2010

2020

10.350 440 4,3

11.375 713 6,3

11.950 875 7,3

12.950 1.066 8,2

Fuente: Programa Altener. Dirección de la Energía de la CE. ** Incluyendo el sector transporte. ** Excluyendo las centrales hidráulicas mayores de 10 MW, así como las geotérmicas y energía mareomotriz.

1

2

EUFORES participará en el proyecto ENER-IURE, cuyo objetivo es entrenar a jóvenes y adultos en el ámbito de las TER. SAFIRE es un modelo contrastado, desarrollado por Energy for Sustainable Development, que analiza el impacto de los diferentes modelos de consumo y diversificación energéticos, así como las distintas políticas en función de un número de indicadores. Se ha utilizado en la elaboración del Libro Blanco de ER de la CE.

Perspectivas de las energías renovables

19

Como la industria de TER es un sector de rápido crecimiento en la UE, sus Estados miembros han apostado por estas fuentes de energía de bajo efecto ambiental, considerándolas alternativas a las convencionales en numerosos procesos. A ellas se les reconoce también efectos adicionales positivos, tanto económicos como sociales, especialmente en términos de creación de empleo y de desarrollo como industria de exportación. Aunque se sabe que la inversión en proyectos de ER supone la creación permanente de puestos de trabajo, tanto en fabricación de elementos como en montaje y mantenimiento de instalaciones, los efectos de inversión económica y empleo difieren considerablemente en función del tipo de energía estudiada. Tal y como figuran en la tabla 0.3 los puestos de trabajo netos creados dependen de cada TER y de la energía generada. TABLA 0.3 Puestos de trabajo creados por cada TER

Puestos por . . . GWh/año . . . . .

Biomasa*

Eólica

Minihidráulica

0,7 (1,7)

0,3

0,3

Fotovoltaica Solar térmica

1,0

1,1

Total

1,4

Fuente: Programa ALTENER. Dirección de la Energía de la CE. * Entre paréntesis figuran los puestos de trabajo creados por la producción de energía añadidos a los de obtención de biomasa.

Las conclusiones del proyecto ALTENER se focalizan en el empleo causado por las TER en la UE a largo plazo, es decir para el año 2020, y se pueden sintetizar en las siguientes: • En las predicciones de energía producida se maneja un factor de crecimiento de TER de 2,4 tomando como referencia el año 1995. Así pues los 440 TWh de esta fecha se transformarán en 1.066 TWh en el año 2020 (véase tabla 0.2). La predicción de crecimiento se extiende a todas las TER y a todos los Estados miembros de la UE. La cuota de consumo medio de fuentes de ER asciende según estas estimaciones desde el 4,3% de 1995 hasta el 8,2% de 2020 (véase tabla 0.2). • En general las TER son más intensivas en trabajo que las energías convencionales para la misma cantidad de energía producida. • Se estima la creación3 de 450.000 puestos de trabajo netos nuevos en el año 2005, 665.000 en el 2010 y 900.000 en el 2020, estos últimos distribuidos entre 515.000 procedentes de la producción de combustibles a partir de biomasa y 385.000 del resto de TER. • Si bien la ganancia mayor de empleo es causada por la biomasa, tanto en la industria de la energía como en la oferta de combustible renovable, todas las TER muestran a medio plazo esa ganancia con carácter neto. • Los empleos desplazados por el resultado de los subsidios a las TER son considerablemente menores que los empleos creados directa e indirectamente. • La creación de empleo alcanza a todos los Estados miembros de la UE, y Alemania, Francia e Italia resultan los más beneficiados en cifras absolutas, mientras 3

En la estimación se han tenido en cuenta los empleos directos e indirectos creados, así como los puestos de trabajo desplazados de los distintos sectores convencionales de la energía.

20

Los biocombustibles

que las cifras relativas de mayor número de puestos de trabajo pertenecen a Austria, Dinamarca y Grecia. • En cifras globales la contribución neta de las TER en el empleo de La UE hacia el año 2020 representa algo más del 2%. • El incremento de empleos se estima que repercute en los sectores agrícola e industrial principalmente. En la industria de la energía convencional se espera perder como efecto del desplazamiento provocado por las TER menos del 2% de los empleos para el año 2020. • Si bien en general casi todas las TER producen un incremento de puestos de trabajo en la fase de construcción de plantas de generación de energía, alguna de ellas causa una pérdida neta durante esa fase.

4. Perspectivas en el mercado mundial de las TER Desde el año 1995, los mercados de TER han comenzado a atraer el interés de grandes empresas energéticas. Su desarrollo parece garantizar un periodo dinámico de alcance internacional hasta el año 2003, pero la tasa de crecimiento se verá afectada probablemente por distintas incertidumbres, entre las cuales la fecha de ratificación del PK figura como la principal. Al menos desde la perspectiva global las iniciativas de mercado de TER parecen garantizadas a medio plazo, aunque el comportamiento de cada uno ha sido desigual dependiendo de cada región o territorio. En el ámbito de la energía minihidráulica4, por ejemplo, las empresas más competitivas del mercado internacional son las europeas, principalmente las procedentes de Alemania, Noruega, Eslovenia, Reino Unido, Francia, Suiza, Austria y Dinamarca, por este orden. La energía eólica comprende diez empresas principales en el mundo, cuatro pertenecientes a Dinamarca, tres a España, dos a Alemania y una a Estados Unidos, si bien gran parte de la producción es acaparada por las danesas NEG Micon y Vestas. En España, la facturación de la empresa EHN de Navarra ha crecido el 55% en 1998 respecto al año anterior, y las previsiones apuntan a un volumen de 58,7 millones de euros en 1999 y de 102,2 millones de euros en 2000. También en Japón la corporación de comercio Tomen ha inaugurado plantas de inversión para proyectos en energía eólica por valor de 1.300 millones de euros. En el dominio fotovoltaico el gigante del sector BP Solarex, que espera alcanzar pronto una producción de 30MW pico (MWp), anunció en 1997 su intención de multiplicar por diez las ventas de colectores solares en la siguiente década, mientras que Royal Dutch Shell firmaba un acuerdo de inversión de 540 millones de euros por cinco años. Las diez empresas más importantes del mundo produjeron 1,1 billones de euros en 1997, un 56% más que en 1996. El sector de bicombustibles ha experimentado un sensible impulso en Europa, tanto el procedente de semillas de aceite de colza como el de etanol. Entre las empre4

A partir de aquí entendemos por energía minihidráulica la acotada por la potencia máxima de 10 MW.

Perspectivas de las energías renovables

21

sas que los obtienen del primer recurso hay dos hegemónicas: la francesa Diester Industrie y su rival Novaol, subsidiaria del Grupo Eridania Beghin Say. Juntas engloban una facturación de aproximadamente 30.500 millones de euros. En procesos de transformación y distribución de biocombustibles derivados del etanol los grupos Elf, Total y Arco han sido los más emprendedores. El crecimiento de cada TER en el mundo durante el período 1990-97 está condensado en la tabla 0.4. TABLA 0.4 Tasa anual de crecimiento de cada TER en el mundo (1990-97) Fuente

Tasa anual de crecimiento (%)

Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geotérmica* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hidroeléctrica* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carbón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16,8 3,0 2,1 1,6 1,4 1,2 0,6

Fuente: Worldwatch Institute, Worldwatch, estimación basada en Birger Madsen, BTM Consult, (Ringkobing, Dinamarca, carta al autor Flavin 10 de febrero de 1998) y en BTM Consult, International Wind Energy Development: World Market Update 1996, (Ringkobing, Dinamarca, Marzo 1997). * Datos de 1996.

4.1. Minihidráulica De la electricidad generada en el mundo 85 TWh, es decir el 3% de la producción global hidráulica, pertenecen a centrales minihidráulicas, cuyas instalaciones encajan perfectamente a las necesidades de las poblaciones rurales no electrificadas. Éstas abundan en los países no desarrollados, y principalmente en la India, Nepal e Indonesia. La tabla 0.5 indica la capacidad de potencia hidráulica (grandes y pequeñas centrales) estimada en el año 2010, considerando únicamente las instalaciones en construcción y en estado de proyecto. TABLA 0.5 Capacidad hidráulica mundial en el año 2010 Región

África . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Asia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oriente Medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Iberoamérica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . América del Norte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Europa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Potencia (GW)

4,8 126,8 13 23,6 3,2 5,3

Fuente: Barómetro EurObserv´ER, publicado como resultado 132 en la revista Sistemas Solares.

4.2. Eólica De acuerdo con la tasa anual de crecimiento de la energía eólica (véase tabla 0.4), la potencia instalada en el mundo ha crecido desde los 1.350 MW en el año 1996 a los

22

Los biocombustibles

2.035 MW en 1998. Este crecimiento representa ya el 39% en 1999, el más alto entre todas las fuentes de energía (renovables y no renovables), y se ha reflejado en el volumen de ventas, desde 1,3 billones de euros en el año 1997 hasta 1,7 billones de euros en 1998 y 3,2 billones de euros en 1999. Además, la industria eólica ha creado 90.000 puestos de trabajo hasta 1999, la mayoría de ellos en la UE y la India, país líder este último entre los países no desarrollados. Como se deduce de la tabla 0.6 la capacidad de potencia eólica acumulada hasta 1999 en la UE representa el 66,3% del total mundial, correspondiendo el 18,9% a Estados Unidos y el 10,1% a la India. TABLA 0.6 Capacidad acumulativa de potencia eólica hasta 1999, por regiones Región

Potencia acumulada 1998 (MW)

Potencia acumulada 1999 (MW)

Crecimiento 1997-99 (%)

Unión Europea . . . . . . . . . . . . Estados Unidos . . . . . . . . . . . India . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resto del mundo . . . . . . . . . .

4.739 1.584 950 309

6.379 1.819 968 449

34,6 14,8 1,9 45,3

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.582

9.615

26,8

Fuente: Barómetro EurObserv´ER, publicado en la Conferencia de Energía Eólica de 1999, celebrada en Niza.

La tabla 0.7 presenta la capacidad de potencia eólica acumulada hasta 1999 por países. TABLA 0.7 Capacidad acumulativa de potencia eólica hasta 1999, por países País

Potencia acumulada 1998 (MW)

Potencia acumulada 1999 (MW)

Crecimiento 1997-99 (%)

Alemania . . . . . . . . . . . . . . . Estados Unidos . . . . . . . . . . Dinamarca . . . . . . . . . . . . . . India . . . . . . . . . . . . . . . . . . . España . . . . . . . . . . . . . . . . . Holanda . . . . . . . . . . . . . . . . Reino Unido . . . . . . . . . . . . . China . . . . . . . . . . . . . . . . . . Italia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suecia . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.080 1.584 1.116 950 512 325 320 166 100 117

2.873 1.819 1.380 968 907 359 330 190 154 148

38,1 14,8 23,7 1,9 77,1 10,5 3,1 14,5 54,0 26,5

Fuente: Barómetro EurObserv´ER, publicado en la Conferencia de Energía Eólica de 1999, celebrada en Niza.

Las perspectivas de desarrollo a corto plazo de esta TER son inmejorables. Hasta el año 2002 se espera instalar en el mundo 10.500 MW contando solamente los proyecto puestos en marcha, lo que supondría un total acumulado de 20.300 MW. Europa mantendría el primer lugar de producción de energía eólica, con una contribución del 61,4%, seguida de Estados Unidos, con el 18,6%, y de Asia, con el 15,1%. Entre los

Perspectivas de las energías renovables

23

países no desarrollados, la India contempla planes para instalar 12.000 MW, y las estimaciones del potencial eólico de China, sobre todo en Mongolia, superan la potencia eléctrica instalada en ese país. Según el Worldwatch Institute, dentro de 20 años se habrá cubierto el 10% de la energía eléctrica mundial con la fuente eólica, que a largo plazo puede superar las cotas de contribución hidráulica (actualmente el 23% de la electricidad total del mundo). Como datos orientativos pueden servir la cifra potencial de tres Estados norteamericanos (Dakota del Norte, Dakota del Sur y Texas), suficiente para nutrir de electricidad a los Estados Unidos, y la de un parque potencial planetario construido respetando las limitaciones ambientales, superior a los 55.000 TWh anuales, es decir cuatro veces el consumo mundial de electricidad. Especial interés ofrece el desarrollo tecnológico experimentado por esta TER. Sirva como referencia el coste de 2.800 euros por kW instalado de 1981, reducido a 800 euros en la actualidad, lo que supone más del 6,5% de caída anual acumulada durante los últimos 20 años. A esta cantidad habría que descontarle externalidades ambientales, como costes asociados a residuos radiactivos, o a emisiones de CO2, o a otros gases emitidos por cualquier combustible no renovable. De cualquier modo, la fuente eólica roza la frontera de la competitividad sin este descuento. 4.3. Fotovoltaica La producción de células y módulos fotovoltaicos en el mundo ha evolucionado desde los 57,9 MWp en 1992 hasta los 149,2 MWp en 1998, lo que supone un crecimiento anual del 17%. La tabla 0.8 representa la capacidad de potencia acumulada de los países con mayores instalaciones hasta 1999. TABLA 0.8 Capacidad de potencia fotovoltaica instalada hasta 1998, por países País

Potencia acumulada 1997 (kW)

Potencia acumulada 1998 (kW)

Crecimiento 1997-98 (%)

Alemania . . . . . . . . . . . . . . . . Italia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suiza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Francia . . . . . . . . . . . . . . . . . España . . . . . . . . . . . . . . . . . Holanda . . . . . . . . . . . . . . . . Austria . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otros europeos . . . . . . . . . . .

41.890 16.577 10.124 6.120 7.300 4.068 2.208 6.911

58.550 17.316 11.455 8.000 7.800 5.067 2.766 8.246

40 4 13 30 3 25 25 19

Total Europa . . . . . . . . . . .

94.997

118.689

25

Estados Unidos

..........

108.000

127.840

18

Total Norteamérica . . . . . .

122.505

144.308

18

Japón . . . . . . . . . . . . . . . . . . Australia . . . . . . . . . . . . . . . . Corea . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64.705 18.700 2.475

91.956 22.030 2.800

42 18 13

303.382

379.783

25

Total Mundial

..........

Fuente: Barómetro EurObserv´ER, publicado como resultado 132 en la revista Sistemas Solares.

24

Los biocombustibles

Se espera que la producción mundial de células y módulos fotovoltaicos haya alcanzado la potencia de 165 MWp el año 1999, lo que supondría un incremento del 10% de la producción del año anterior. 4.4. Biocombustibles Desde el año 1992 al 1999 la producción de biocombustibles ha experimentado un espectacular crecimiento en Europa, especialmente en Francia y España. En ocho años se ha multiplicado por 8,5, pasando de 55.00 toneladas a 470.000, si bien los últimos tres años se ha estabilizado. Francia ha contribuido al 58% de la producción europea, y en el ámbito mundial ocupa el cuarto lugar de producción de etanol, tal y como se indica en la tabla 0.9, aunque España se está esforzando por alcanzar cotas de producción semejantes construyendo nuevos centros de producción de biocombustibles. TABLA 0.9 Producción de etanol de 1998 País

Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estados Unidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Canadá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Francia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . España . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suecia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Producción (miles de toneladas)

11.910,0 3.573,0 190,6 95,3 79,4 15,9

Fuente: Barómetro EurObserv´ER, publicado como resultado 132 en la revista Sistemas Solares.

5. Estado de las TER en Europa Los gobiernos europeos han propuesto ambiciosas pero reales iniciativas para promocionar TER, algunas de las cuales representan de hecho abordar voluntariamente la reducción de emisiones de GEI antes de la ratificación del PK. Así pues el mercado europeo de TER merece consideración especial. Desde comienzos de la década de los 90, se han promocionado TER por casi todos sus Estados miembros. 5.1. Objetivos El crecimiento programado forma parte de la campaña de despegue diseñada para conseguir el objetivo del año 2010. Esta campaña pretende acelerar la promoción de TER hasta el año 2003, cuyos principales objetivos se muestran en la tabla 0.10. Con la puesta en marcha del programa de promoción la UE espera generar 647,9 TWh de energía eléctrica de naturaleza renovable en el año 2010, distribuidos entre sus Estados miembros del modo representado en la tabla 0.11. 5.2. Producción y consumo Los últimos datos de producción en la UE a partir de TER son de 1997. Este año se han sumado 82,1 Mtep, con un crecimiento anual acumulativo del 5,1%, que resulta

Perspectivas de las energías renovables

25

TABLA 0.10 Objetivos de desarrollo de TER en el período 1999-2003 TER

Objetivos (106)

Coste estimado (1012 euros)

Solar fotovoltaica UE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solar fotovoltaica terceros países . . . . . . . . . . . Solar térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biomasa cogeneración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biomasa calefacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biocombustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

650 Wp 350 Wp 15 m2 10.000 W 10.000 Wh 10.000 Wh 1.000 W 5t

2,85 2,45 4,7 10,1 5,5 4,4 1,2 1,25

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30,0

Fuente: Las energías renovables en España. Balance y perspectivas 2000, IDAE, 1999.

TABLA 0. 11 Distribución de energía eléctrica procedente de distintas TER en el año 2010 Energía eléctrica procedente de TER Total (TWh)

Cuota de ER (%)

Alemania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Austria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bélgica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dinamarca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . España . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Finlandia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Francia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grecia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Holanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Irlanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Italia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luxemburgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Portugal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reino Unido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suecia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76,4 55,3 6,3 12,9 76,6 33,7 112,9 14,5 15,9 4,5 89,6 0,5 28,3 50,0 97,5

12,5 78,1 6,0 29,0 29,4 35,0 21,0 20,1 12,0 13,2 25,0 5,7 45,6 10,0 60,0

UE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

647,9

22,1

Fuente: European Commission (1996), COM 96.

insuficiente para alcanzar el objetivo de la UE. La contribución del 12% de la energía total prevista para el año 2010 precisaría de un crecimiento anual del 6,2%, más de un punto por encima del conseguido en 1997. El consumo bruto interno de los distintos Estado miembros de la UE se ha distribuido del modo siguiente: biomasa y residuos sólidos urbanos (RSU), 63,7%; hidráulica, 31,0%; geotérmica, 3,4%; eólica, 0,7% y solar térmica, 0,3%, tal y como se expresa en la tabla 0.12. La tabla 0.13 representa las cifras de generación eléctrica procedente de cada TER y de cada Estado miembro de la UE del año 1997. La tabla 0.14 indica el consumo de energía final de cada Estado miembro de la UE del año 1997.

26

Los biocombustibles TABLA 0.12 Consumo bruto interno procedente de distintas fuentes de ER en 1997 País

Hidráulica (ktoe)

Eólica (ktoe)

Solar (ktoe)

Alemania . . . . Austria . . . . . . Bélgica . . . . . . Dinamarca . . . España . . . . . Finlandia . . . . Francia . . . . . . Grecia . . . . . . Holanda . . . . . Irlanda . . . . . . Italia . . . . . . . . Luxemburgo . . Portugal . . . . . Reino Unido . . Suecia . . . . . .

1.492 3.094 26 2 2.975 1.053 5.399 334 8 58 3.577 7 1.127 355 5.935

261 0 1 166 31 1 0 3 41 4 10 0 3 57 18

68 0 1 7 25 0 16 114 5 0 7 0 16 6 4

10 0 2 1 7 0 131 2 0 0 2.611 0 45 1 0

UE . . . . . . . .

25.442

598

271

2.810

Otras (ktoe)

Total (ktoe)

Cuota ER (%)

5.903 3.508 623 1.541 3.788 5.698 10.473 911 1.438 162 6.722 40 2.406 1.638 7.458

0 0 105 0 0 172 0 0 0 0 428 0 0 0 0

7.734 6.602 758 1.717 6.827 6.924 16.020 1.364 1.492 225 13.355 47 3.597 2.057 13.416

2,3 23,3 1,4 8,0 6,4 20,9 6,6 5,3 2,0 1,8 7,9 1,4 16,9 0,9 26,7

52.309

705

82.134

5,8

Geotérmica Biomasa (ktoe) (ktoe)

Fuente: 1999 Annual Energy Review, European Union.

TABLA 0.13 Generación eléctrica procedente de distintas fuentes de ER en 1997 Hidráulica (ktoe)

Eólica (ktoe)

Geotérmica (ktoe)

Biomasa (ktoe)

Otras (ktoe)

Total (ktoe)

Cuota ER (%)

Alemania . . . . . . Austria . . . . . . . . Bélgica . . . . . . . . Dinamarca . . . . . España . . . . . . . . Finlandia . . . . . . Francia . . . . . . . . Grecia . . . . . . . . Holanda . . . . . . . Irlanda . . . . . . . . Italia . . . . . . . . . . Luxemburgo . . . . Portugal . . . . . . . Reino Unido . . . . Suecia . . . . . . . .

1.492 3.094 26 2 2.975 1.053 5.399 334 8 58 3.577 7 1.127 355 5.935

261 0 1 166 31 1 0 3 41 4 10 0 3 57 18

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2.398 0 45 0 0

1.767 772 367 991 562 1.350 1.159 0 1.047 22 328 23 153 847 2.272

0 0 105 0 0 172 0 0 0 0 428 0 0 0 0

3.520 3.866 499 1.159 3.568 2.577 6.558 337 1.096 84 6.741 30 1.328 1.259 8.225

2,9 48,9 2,7 11,5 9,4 17,6 6,1 3,5 6,0 1,9 14,3 29,1 23,3 1,7 30,4

UE . . . . . . . . . .

25.442

598

2.443

11.661

705

40.849

9,7

País

Fuente: 1999 Annual Energy Review, European Union.

5.3. Estado de las TER El año 1997 las centrales minihidráulicas de la UE tenían una capacidad de potencia de 9.705 MW y producían 38.287 GWh. Los cuatro primeros países (Italia, Alemania, Francia y España) sumaban el 70,4% de esta energía generada, tal y como se desprende de la tabla 0.15.

Perspectivas de las energías renovables

27

TABLA 0.14 Consumo de energía final procedente de distintas fuentes de ER en 1997 País

Solar (ktoe)

Geotérmica (ktoe)

Biomasa (ktoe)

Total (ktoe)

Cuota ER (%)

Alemania . . . . . . . . . . Austria . . . . . . . . . . . . Bélgica . . . . . . . . . . . Dinamarca . . . . . . . . . España . . . . . . . . . . . Finlandia . . . . . . . . . . Francia . . . . . . . . . . . Grecia . . . . . . . . . . . . Holanda . . . . . . . . . . . Irlanda . . . . . . . . . . . . Italia . . . . . . . . . . . . . . Luxemburgo . . . . . . . Portugal . . . . . . . . . . . Reino Unido . . . . . . . Suecia . . . . . . . . . . . .

68 0 1 7 25 0 16 114 5 0 7 0 16 6 4

10 0 2 1 7 0 131 2 0 0 213 0 0 1 0

4.136 2.736 255 550 3.226 4.348 9.314 911 390 141 6.394 17 2.252 791 5.186

4.214 2.736 258 558 3.258 4.348 9.462 1.027 396 141 6.614 17 2.269 798 5.191

1,9 12,5 0,7 3,7 4,8 18,9 6,4 6,0 0,8 1,6 5,4 0,5 15,2 0,5 15,5

UE . . . . . . . . . . . . . .

271

367

40.648

41.285

4,4

Fuente: 1999 Annual Energy Review, European Union.

TABLA 0.15 Capacidad instalada y producción de energía minihidráulica en 1997 País

Capacidad instalada (MW)

Producción (GWh)

Italia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alemania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Francia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . España . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Austria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suecia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resto de la UE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.186 1.370 2.004 1.414 812 969 950

8.124 6.772 6.754 5.290 4.404 4.368 2.566

Total UE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.705

38.278

Fuente: Barómetro EurObserv´ER, publicado como resultado 132 en la revista Sistemas Solares.

Las cifras de producción europea representan casi la mitad de la producción mundial, lo que ha situado a la UE en primera línea de competitividad. Las turbinas europeas destinadas a centrales minihidráulicas son por tanto muy demandadas en el mercado internacional. Actualmente esta actividad representa casi 10.000 puestos de trabajo, localizados sobre todo en el Norte de Europa, y una cifra de negocio anual que excede los 15.250 millones de euros. En el Libro Blanco de la CE las previsiones son inmejorables; se estima que la potencia instalada de centrales minihidráulicas alcanzará los 14 GW (44% de potencia añadida respecto a 1997) y que la producción llegará a 55 TWh (70% de energía añadida respecto a 1997) para el año 2010. Desde 1997 el impulso de la UE a la energía eólica no ha cesado en sus Estados miembros. Ya en 1998 la potencia instalada ascendía a 1.640 MW, lo que representaba más del 80% de la potencia mundial.

28

Los biocombustibles

En cuanto al sector fotovoltaico, la Directiva europea de electricidad para TER y el programa de electrificación mediante energía solar para países no desarrollados ofrece importantes perspectivas de crecimiento a corto plazo. Por último, desde la década de 1990 los biocombustibles se han convertido en una realidad económica e industrial. En este sector se calcula la creación de 13.000 puestos de trabajo y se estima para el año 2001 una producción aproximada de 400.000 toneladas de biocombustibles en Europa, es decir el 84% de la producción mundial. 5.4. Situación de cada Estado Miembro 5.4.1. Alemania En generación eléctrica su aportación alcanza casi la mitad5 de la energía europea fotovoltaica y mundial eólica en cifras absolutas. Esta última TER ha ascendido de 100 MW de potencia en 1990 a 2.570 MW en 1998, y el año 1997 ya existían 25 MW instalados de fotovoltaica, la mayor parte procedente de pequeñas instalaciones conectadas a la red. La energía solar térmica se ha extendido en 1997 hasta 2,2 millones de m2, lo que sitúa a Alemania en el segundo lugar europeo después de Grecia en su desarrollo. Sin embargo, las TER representan sólo el 2,3% del consumo alemán de energía primaria. Las de mayor predominio son la biomasa (RSU incluidos) y la energía hidráulica; la primera cubre el 76,3% del consumo total de ER, y el 19,3% la segunda. 5.4.2. Austria En cifras relativas es el segundo país consumidor de energía procedente de TER, detrás de Suecia, con el 23,3%, dividido casi equitativamente entre la energía hidráulica y la biomasa. Asimismo, encabeza la generación eléctrica proveniente de TER en cifras relativas. Este factor resulta determinante para que las emisiones austríacas de CO2 por habitante permanezcan por debajo de la media europea. El uso de biomasa en los sectores de calefacción para viviendas y redes de calefacción es tradicional, lo que ha elevado notablemente su desarrollo tecnológico. La producción de biocombustibles también ha alcanzado cierto desarrollo comercial. 5.4.3. Bélgica Después del Reino Unido es el país de menor consumo relativo de TER en la UE, junto con Luxemburgo. La biomasa contribuye con el 82,2% como fuente principal de consumo procedente de ER. 5.4.4. Dinamarca Ocupa el segundo lugar en Europa (el primero en magnitudes relativas), detrás de Alemania, en la producción de energía eólica, que se sigue desarrollando a buen 5

Las dos terceras partes si se incluye la energía generada por las centrales hidráulicas mayores de 10 MW.

Perspectivas de las energías renovables

29

ritmo: desde 400 MW instalados en 1990 a 1.200 MW en 1998. La generación eléctrica de esta TER equivale al 14,3% del total producido en 1997. El plan danés de promoción de TER se basa principalmente en la sustitución de carbón por biomasa y en la reconversión de plantas de calefacción urbanas por plantas de cogeneración. El 89,7% de consumo interno surgido de ER proviene de biomasa y RSU. En el año 1996 existían alrededor de medio millón de instalaciones individuales de aprovechamiento de biomasa, además de 90 plantas de calefacción ubicadas en distritos urbanos, 120.000 calderas de paja y de leña en enclaves rurales y más de 30 plantas incineradoras de RSU. 5.4.5. España El consumo de energía primaria procedente de TER representa el 6,4%, poco más de medio punto por encima de la media de la UE. En generación eléctrica y en consumo de energía final procedente de TER España se halla aproximadamente a la altura de la media de la UE. Los 6.827 ktep consumidos en energía primaria de TER en 1997 se han distribuido casi en su totalidad entre biomasa (55,5%) y energía hidráulica (43,6%). 5.4.6. Finlandia El consumo de energía primaria procedente de TER ha supuesto el 20,9% en 1997, producido casi en su totalidad por biomasa (17,2%) y energía hidráulica (3,2%). Como generador de energía a partir de residuos de la madera, Finlandia es líder internacional en magnitudes relativas, y su empleo se extiende a los sectores industrial, comercial y doméstico. La energía hidráulica también se ha desarrollado de modo importante y en la actualidad engloba el 40,9%6 de la energía eléctrica producida con TER. 5.4.7. Francia Ocupa la posición de primer consumidor europeo absoluto de ER, con más de 16 millones de tep, distribuidos entre la biomasa y RSU (65,4%) y la energía hidráulica (33,7%). Especial relevancia tiene el consumo de biomasa, en el que también es líder absoluto europeo, y su promoción en el ámbito de los biocarburantes. 5.4.8. Grecia La contribución de ER al consumo interior bruto llega al 5,3%, aproximadamente la media europea, repartida casi en su totalidad entre biomasa (66,8%) y energía hidráulica (24,5%). En instalaciones solares térmicas Grecia es el primer país de la UE en cifras absolutas, con 2,3 millones de m2, superficie ocupada en su mayor parte para el servicio de agua caliente sanitaria en el sector doméstico.

6

El 60% si se incluye la energía generada por las centrales hidráulicas mayores de 10 MW.

30

Los biocombustibles

5.4.9. Holanda La aportación de TER al consumo alcanza el 2%. Su fuente contributiva principal es la biomasa y los RSU (96,4%). La energía solar, tanto térmica como fotovoltaica, está creciendo en la actualidad a un ritmo anual superior al 30%, y la energía eólica ha llegado a los 340MW instalados en 1998. 5.4.10. Irlanda Es el penúltimo país europeo en cifras relativas, sólo delante del Reino Unido, en generación eléctrica procedente de las TER. Éstas representan en el balance energético nacional una contribución de apenas el 2%, y la biomasa y la energía hidráulica son prácticamente las únicas fuentes productivas renovables. Para el futuro se espera un desarrollo importante de la energía eólica y de los cultivos energéticos de corta rotación. 5.4.11. Italia Dentro de la UE es el tercer productor absoluto de ER, detrás de Francia y Suecia, y el segundo generador absoluto de electricidad y consumidor de energía final procedentes de ER, detrás de Suecia y Francia respectivamente. Las TER contribuyen al 7,9% del consumo interior bruto italiano de energía. La biomasa y los RSU aportan el 50,3% de la ER, y el 26,8% la hidráulica. Como rasgo singular Italia ha producido 2,6 millones de tep de naturaleza geotérmica, un caso único en la UE. El empleo de esta TER es la producción de vapor para generación eléctrica y fuente de calor, principalmente para calefacción de edificios y procesos industriales. 5.4.12. Luxemburgo Después del Reino Unido es el país de menor consumo relativo de TER, junto con Bélgica, y ocupa el último lugar de consumo relativo de energía final procedente de TER, junto con el Reino Unido. 5.4.13. Portugal Es el tercer consumidor de energía final procedente de TER en cifras relativas, detrás de Finlandia y Suecia, y genera 3,6 millones de tep, es decir casi el 16,9% del consumo interior bruto. Entre las TER empleadas predomina la biomasa, y las energías hidráulica y geotérmica, por este orden. 5.4.14. Reino Unido Ocupa el último lugar en magnitudes relativas entre los Estados miembros de la UE, tanto en consumo de energía primaria, como de energía final, como en generación eléctrica procedente de TER. Respecto al consumo interior bruto esta producción es

Perspectivas de las energías renovables

31

inferior al 1%, y en el ámbito de la producción eléctrica la ER garantiza el 1,7% del consumo, proveniente de las fuentes hidráulica, RSU y biogás, por este orden. En producción de calor sólo la biomasa procedente de residuos de madera representa una cuota significativa, sobre todo en ciertas aplicaciones industriales. 5.4.15. Suecia Ocupa el segundo lugar absoluto, detrás de Francia, y el primero relativo en consumo de energía primaria procedente de TER dentro de la UE. Contribuye al 26,7% del consumo total europeo a partir de dos fuentes renovables exclusivas: la biomasa, que aporta el 55,6% del consumo final, y la energía hidráulica, que participa con el 44,2%. Ocupa también el primer puesto absoluto y el segundo relativo, detrás de Austria, en generar electricidad procedente de TER, y el segundo lugar, detrás de Finlandia, en consumir energía final procedente de TER.

6. Desarrollo de las TER en España España, como cada Estado miembro de la UE, ha desarrollado una política de estimulo de las TER a partir del programa ALTENER. Las ayudas se han encauzado a través de las Comunidades Autónomas (CC.AA.), encargadas de concretar las subvenciones por el uso de determinadas TER. En general, las disposiciones de las CC.AA. otorgan subvenciones para favorecer la inversión en ER, ahorro energético y mejora ambiental, y fomentan proyectos de ahorro, sustitución y diversificación energética. Las ayudas alcanzan a todas las TER (solar térmica, fotovoltaica, eólica, biomasa y minihidráulica7), al ahorro de energía mediante su uso racional en pequeñas y medianas industrias, al sector servicios y edificios de oficinas y viviendas, a mejoras ambientales por cambio de combustible (sustitución de derivados del petróleo por gas natural) y a la cogeneración. 6.1. Antecedentes de energía El sector energético español, que depende en el 70% del consumo de energía primaria de las importaciones, mantiene dos características principales bien diferenciadas respecto a la UE, cuya subordinación importadora se reduce al 50% del consumo8. La primera se refiere al consumo interior bruto: en el año 1996, el petróleo ha contribuido al consumo en España más de 12 puntos por encima del índice de la UE, en perjuicio del gas natural, más de 12 puntos por debajo. La segunda característica explica el origen principal del uso deficitario del gas natural: en la producción eléctrica de natura7

8

La Comunidad Autónoma de Navarra restringe la potencia a 5 MW para poder recibir ayudas, por debajo de los 10 MW reconocidos universalmente por la minihidráulica. Datos procedentes de la Comunicación de la CE Energy for the future: Renewable Energy Sources - White Paper for a Community Strategy and Action Plan, Bruselas 26-11-1997, COM (1997) 550 final, pág. 5.

32

Los biocombustibles

leza térmica España utiliza el 6,4% de gas natural, 14 puntos por debajo de la UE, que compensa con combustibles sólidos9. En resumen, consumimos mucho más petróleo que nuestros socios y vecinos europeos en menoscabo del gas y se constata un desplazamiento insuficiente de los combustibles sólidos por el gas natural a causa del intervencionismo estatal en favor del carbón de procedencia nacional. Aunque los esfuerzos realizados en el desarrollo de TER y en el mantenimiento de la moratoria nuclear son satisfactorios desde la perspectiva ambiental, suponen un serio problema para el proceso de liberalización de la energía. Este problema puede agravarse, sobre todo teniendo en cuenta que el consumo interior bruto de energía en España ha crecido 0,7 puntos por encima de la UE durante el periodo 1990-96, y que los crecimientos de generación y demanda eléctrica han superado en 0,4 y 1,0 puntos a los europeos correspondientes en este mismo periodo. Los últimos datos de 1997 confirman la importancia de la diferencia de crecimiento en consumo interior bruto en el periodo 1990-97: 0,7 puntos por encima del periodo 1990-96, según el último informe de la International Energy Agency. Todo ello repercute en notables diferencias entre el crecimiento de los indicadores energéticos: España excede a la UE en 0,9 puntos en consumo interior bruto de energía por habitante; en 0,7 puntos en consumo interior bruto por PIB; en 0,6 puntos en electricidad generada por habitante y en 1,4 puntos en consumo eléctrico por habitante. El prolongado estacamiento del índice demográfico español (subida anual del 0,2% frente al 0,4% de la UE) favorece el distanciamiento entre indicadores. Y para corregirlo se hace urgente incrementar la eficiencia térmica de las plantas de generación españolas, que precisan de mayor esfuerzo inversor en centrales de gasificación integrada y ciclos combinados. El sector eléctrico está sufriendo una transformación gradual de liberalización con el fin de mejorar su competitividad, tanto en precios como en calidad. A finales de 1996, el Gobierno firmó un protocolo con las empresas eléctricas con el objeto de introducir mayor competencia en el sector y lograr así una reducción del coste de los factores productivos. El protocolo sigue las pautas de la Directiva comunitaria 96/62/CE. La introducción de la competencia en el mercado eléctrico se ha realizado mediante la separación de las funciones de propiedad, transporte y servicio, que constituían una actividad indivisible en manos de las empresas antes del protocolo. El libre acceso de terceros a la red mediante pago de peaje ha permitido operar al mercado en las fases de distribución de electricidad y gas. Los plazos establecidos pare definir los umbrales de consumo para clientes cualificados son los siguientes: en el año 1998 se precisaban al menos 15GWh/año; a partir del 1 de enero de 1999, al menos 5GWh; desde el 1 de abril de 1999, al menos 3 GWh; desde el 1 de julio de 1999, al menos 2 GWh; y desde el 1 de octubre de 1999, al menos 1 GWh. En cuanto a las TER, la nueva ley 2820/1998 del sector eléctrico establece la diferenciación entre productores de energía eléctrica en régimen ordinario y sujetos al sistema de ofertas y autoproductores acogidos al régimen especial y fuera de la competencia del mercado. Entre estas últimas se encuentran los productores de TER. 9

Fuente: Annual Energy Review. Energy in Europe (CE, 1999).

Perspectivas de las energías renovables

33

Para el gas natural está previsto un progresivo aumento de cuota en la generación de energía eléctrica, a costa del carbón principalmente. La previsión supone un aumento significativo de su contribución en el balance de energía primaria: un 12% para este año. El funcionamiento del gasoducto Argelia-Europa, de reciente inauguración, está facilitando este objetivo. En el sector del carbón existe un acuerdo entre el Ministerio de Industria y Energía y los agentes sociales de la minería que ha cristalizado en el “Plan 1998-2005 de la Minería del Carbón y Desarrollo Alternativo de las Comarcas Mineras”. La finalidad de este Plan es lograr una convergencia entre los precios del carbón nacional y del mercado internacional, aunque existen problemas sociales y regionales importantes que invitan a la prudencia en su aplicación más que a su aceleración. El Plan obedece también al marco legal comunitario que regula la actividad de la industria del carbón. 6.2. Objetivos El Plan de fomento de las TER10 para el periodo 2000-2010, aprobado en diciembre de 1999, establece ambiciosos objetivos. Se trata de contribuir al 12% de la generación de la energía total en el año 2010 desde las fuentes renovables, tal y como el Libro Banco de ER de la CE propone. Esta meta significa doblar prácticamente la participación de TER en España de 1997, que alcanzó el 6,4% (véase tabla 0.12). En total supondrían 16.639 ktep11, distribuidas por TER según la tabla 0.16.

TABLA 0.16 Distribución de los objetivos de producción a partir de TER* en el año 2010 Producción eléctrica (106 tep)

Hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . Biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . Solar térmica . . . . . . . . . . . . . Residuos sólidos . . . . . . . . . . Geotermia . . . . . . . . . . . . . . . Biocarburantes . . . . . . . . . . . .

594 (3.271) 1.852 5.269 150 19 180 683

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.747 (11.424)

Producción térmica (106 tep)

Total (106 tep)

3 500

594 (3.271) 1.852 9.645 150 19 516 683 3 500

5.215

13.962 (16.639)

4.376 336

* La cifra fuera del paréntesis representa la producción de centrales menores de 10 MW, y la cifra entre paréntesis incluye las centrales mayores de 10 MW. Fuente: Prospectiva energética y CO2. Escenarios 2010, IDAE, julio de 2000.

10 11

Plan de Fomento de las Energías Renovables en España, IDAE, diciembre de 1999. Esta cifra incluye toda la energía hidráulica. Excluidas las potencias superiores a 10 MW, la cifra desciende a 13.962 ktoe.

34

Los biocombustibles

Participan en el Plan las Administraciones Central, Autonómica y Local conjuntamente, estimulando el desarrollo de ER a través de normas y medidas económicas y fiscales con la finalidad de superar las barreras técnicas y de rentabilidad de ER. Las medidas se agrupan en tres bloques principales: • Fiscales: deducción del impuesto de sociedades por inversiones en ER; deducción del impuesto de sociedades por investigación en ER; incentivo en el impuesto de sociedades para PYME por inversión en aprovechamiento de recursos renovables, y exención fiscal para biocarburantes. • Estructurales: armonización de requisitos de proyectos de estudio de impacto ambiental; autorización y concesiones del uso privado del Dominio Público Hidráulico; fomento de la integración de paneles solares en edificios; conexión a la red eléctrica de baja tensión de instalaciones fotovoltaicas y agilización del procedimiento administrativo; agilización del procedimiento para participar en el régimen especial de energía eléctrica, y redistribución de primas en el sector eléctrico para instalaciones de régimen especial que desarrollen ciertas tecnologías. • Eliminación de barreras: incentivo de inversiones en innovación tecnológica en ER; líneas de ayudas pública para incentivar el Plan de fomento de las TER; creación de instrumentos financieros para adaptación de proyectos al Plan, y bonificación de costes por riesgos de las PYMES a través de Sociedades de Garantía Recíproca. 6.3. Producción y consumo En el año 1998 la contribución de ER al consumo de energía primaria ha cubierto el 6,3%, lo que equivale a un total de 7.173 ktep, distribuidas entre biomasa y RSU (54,2%), energía hidráulica (43,6%) y eólica (1,7%) principalmente. España ha triplicado su capacidad eólica en dos años (1996-97). Los focos más importantes de consumo son el sector doméstico, que comprende la utilización tradicional de residuos de biomasa y leña en el medio rural y el empleo de energía solar térmica para instalaciones de agua caliente sanitaria. En el ámbito de la generación eléctrica, el Real Decreto (RD) 2818/1998 promociona la ER y regula la energía eléctrica de régimen especial con las siguientes limitaciones de potencia para los autoproductores: ER no consumible, como la biomasa, o cualquier biocarburante o residuo no renovable, 50 MW; tratamiento de residuos de los sectores agrícola, ganadero o servicios, 25 MW. También existen cotas de autoconsumo respecto a la energía total producida: 30% al menos si la potencia instalada es menor de 25 MW, y 50% al menos si la potencia está comprendida entre 25 y 50 MW. EL RD 2818/1998 combina criterios de regulación del régimen especial en un marco de competitividad energética. Así pues las instalaciones de ER de potencia superior a 50 MW deben efectuar sus ofertas de venta de energía a través del operador del mercado, con excepción de las fuentes hidráulica o proveniente de un recurso no consumible (biomasa, biocarburantes o residuos no renovables). Los 39.537,6 GWh generados de producción eléctrica con ER en 1998 se distribuyen de acuerdo con la tabla 0.17.

Perspectivas de las energías renovables

35

TABLA 0.17 Distribución de la energía eléctrica generada en 1998 en función de las TER TER

Energía generada 1998* (GWh)

Energía generada 1998* (%)

Hidráulica > 10 MW . . . . . . . . . . . . . . Hidráulica < 10 MW . . . . . . . . . . . . . . Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RSU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30.753,4** 5.607,0 1.437,0 1.139,1 585,8 15,3

77,8** 14,2 3,6 2,9 1,5 0,0

Fuente: Las energías renovables en España. Balance y perspectivas 2000, IDAE, 1999. ** Datos provisionales. ** Están descontados 2.587 GWh consumidos en bombeo aguas arriba.

Las retribuciones por generar energía eléctrica de régimen especial varían en función del TER. En la tabla 0.18 se presenta el precio retribuido por cesión a la red eléctrica durante el primer semestre del año 1999, así como la energía cedida y las horas de funcionamiento de cada tipo a plena potencia. TABLA 0.18 Energía cedida a la red primer semestre de 1999 y precio TER

Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hidráulica f10 MW . . . . . . . . . . . . Hidráulica >10 MW . . . . . . . . . . . . Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Energía (106 kWh)

Funcionamiento plena potencia (h)*

Precio (10–2 euro/kWh)

0,779 1.152,559 1.371,905 696,211 21,646 26,367

116 221 315 247 111 379

(16%) (30%) (42%) (33%) (15%) (51%)

19,1 6,7 6,7 6,9 5,9 6,1

14,926 35,731 13,769 283,246 269,995 14,871

493 427 544 471 371 203

(66%) (57%) (73%) (63%) (50%) (27%)

6,1 6,7 5,9 5,9 5,0 6,3

Residuos Gas residual . . . . . . . . . . . . . . . . . Residuos agrarios . . . . . . . . . . . . . Residuos oleosos . . . . . . . . . . . . . Residuos urbanos . . . . . . . . . . . . . Residuos industriales . . . . . . . . . . Purines (gas natural) . . . . . . . . . . .

Fuente: Informe de la Comisión Nacional del Sistema Eléctrico (CNSE) sobre las compras de energía al régimen especial del 20/10/99. * Entre paréntesis figura el periodo de funcionamiento a plena potencia en porcentaje.

Las empresas distribuidoras de energía envían mensualmente a la Comisión Nacional del Sistema Eléctrico (CNSE) la facturación de los productores acogidos al régimen especial y conectados a las redes de distribución. El precio de compra de mercado y la prima equivalente componen el precio de régimen especial total. En el año 1998, el primero ha alcanzado 3,5 · 10–2 euro/kWh (57,4% del precio total), y la segunda, 2,6 · 10–2 euro/kWh (42,6% del precio total); en 1999, el primero ha alcanzado 3,7 · 10–2 euro/kWh (62,2% del precio total), y la segunda, 2,2 · 10–2 euro/kWh (37,8% del precio total). Esta evolución descendente de la prima alivia la distorsión de los precios

36

Los biocombustibles

de mercado y propicia a medio plazo la selección de energías de régimen especial en función de su competitividad. En el ámbito de la producción térmica los 3.490,8 ktep producidos con ER en 1998 se distribuyen según la tabla 0.19. TABLA 0.19 Distribución de la energía térmica producida en 1998 en función de las TER TER

Energía generada 1998 (ktep)

Energía generada 1998 (%)

Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . Solar térmica . . . . . . . . . . . . . .

13,6 1,5

90,1 9,9

Fuente: Las energías renovables en España. Balance y perspectivas 2000, IDAE, 1999.

El Programa español de ER comprendido en el decenio 1991-2000 ha quedado cubierto en un 89% a finales de 1998, entre proyectos en explotación y en ejecución. Sin embargo el desarrollo de TER ha sido desigual respecto a los objetivos del Programa, especialmente por restricciones económicas. La tabla 0.20 comprende los porcentajes de programas realizados y en ejecución de cada TER a finales de 1998. TABLA 0.20 Programas realizados y en ejecución de cada TER a finales de 1998 Programas realizados Programas en 1998 (%) Ejecución 1998 (%)

TER

Programas realizados más en ejecución 1998 (%)

Minihidráulica . . . . . . Biomasa . . . . . . . . . . . RSU . . . . . . . . . . . . . . Eólica . . . . . . . . . . . . . Fotovoltaica . . . . . . . . Solar térmica . . . . . . . Geotermia . . . . . . . . .

72,4 47,9 38,3 528,5 210,3 18,1 4,4

15,1 16,9 1,3 591,9 22,0 1,7 39,0

87,5 64,8 39,6 1.120,4 232,3 19,8 43,4

TOTAL . . . . . . . . . . .

61,8

27,4

89,2

Fuente: Las energías renovables en España. Balance y perspectivas 2000, IDAE, 1999.

Los objetivos del año 1998 de producción de energías eléctrica y térmica a partir de ER se resumen en las Tablas 21 y 22. TABLA 0.21 Producción de energía eléctrica de cada TER a finales de 1998 TER

Programas realizados 1998 (%)

Programas en ejecución 1998 (%)

Programas realizados más en ejecución 1998 (%)

Minihidráulica . . . . . . RSU . . . . . . . . . . . . . . Eólica . . . . . . . . . . . . . Fotovoltaica . . . . . . . .

72,5 38,9 528,4 208,9

15,1 1,6 591,7 22,2

87,6 40,6 1.120,1 231,1

TOTAL . . . . . . . . . . .

106,2

66,5

172,7

Fuente: Las energías renovables en España. Balance y perspectivas 2000, IDAE, 1999.

Perspectivas de las energías renovables

37

TABLA 0.22 Producción de energía térmica de cada TER a finales de 1998 TER

Programas realizados 1998 (%)

Programas en ejecución 1998 (%)

Programas realizados más en ejecución 1998 (%)

Biomasa . . . . . . . . . . . Solar térmica . . . . . . . Geotermia . . . . . . . . .

47,9 18,0 4,4

16,9 1,7 39,0

64,8 19,8 43,4

TOTAL . . . . . . . . . . . .

44,8

16,3

61,1

Fuente: Las energías renovables en España. Balance y perspectivas 2000, IDAE, 1999.

6.4. Estado de las TER 6.4.1. Minihidráulica Atendiendo a la naturaleza de las TER, las centrales minihidráulicas de potencia igual o menor de 10 MW totalizan a finales de 1998 la potencia de 1.510 MW. En su distribución territorial, las CC.AA. de Castilla León, Cataluña, Andalucía, Aragón, Navarra y Galicia suman casi los 2/3 de la potencia total, la misma que abarca las cuencas del Ebro, Norte y Duero. En los años inmediatos se espera construir centrales hasta una potencia nominal estimada de 2.400 MW aproximadamente. La ayuda pública a esta TER dentro del Programa de ER se eleva a finales de 1998 a 46,3 millones de euros. 6.4.2. Eólica A finales de 1998 España ocupaba el tercer puesto entre los Estados miembros de la UE en instalaciones eólicas; en el año 200012, ocupa el tercero del mundo, detrás de Alemania y Estados Unidos únicamente. La competitividad tecnológica de las empresas en nuestro país en potencias entre 100 y 1.000 kW es de las más altas de Europa, lo que equivale a decir del mundo, dado que la UE se ha constituido en la región de mayor promoción global de las TER. En el año 1998 se han instalado 379 MW, sumando las Comunidades de Navarra y Galicia los 2/3 de esta potencia. A finales de 1998 la potencia total instalada era de 834,1 MW, sumando el 95% entre las CC.AA. de Navarra, Galicia, Aragón, Andalucía y Canarias. El potencial eólico neto de España se aproxima a 15.000 MW, donde Galicia ocupa el primer lugar con 3.000 MW, seguida de Aragón con 2.000 MW, y de las Comunidades de Andalucía, Castilla León, Castilla La Mancha y Cataluña con 1.000 MW cada una. La ayuda pública a esta TER dentro del Programa de ER se eleva a finales de 1998 a 52 millones de euros.

12

El Worldwatch Institute estima la potencia eólica instalada en España en 2.235 MW, lo que supone casi el 50% añadido de la potencia instalada en 1999.

38

Los biocombustibles

6.4.3. Fotovoltaica Las condiciones de aprovechamiento de energía solar en España son favorables desde el punto de vista de los recursos. La potencia instalada en 1998 ha alcanzado 1,3 MWp, de los que casi la mitad corresponden a instalaciones conectadas a la red. A finales de 1998 la potencia instalada alcanza 8,6 MWp, distribuidos principalmente entre las CC.AA. de Andalucía, Castilla La Mancha, Canarias, Castilla León, Cataluña y Valencia, que suman el 76,5% de esta potencia. La ayuda pública a esta TER dentro del Programa de ER se eleva a finales de 1998 a 35,9 millones de euros. 6.4.4. Solar Térmica De acuerdo con la radiación solar media recibida España es de los países de mayor mercado potencial de la UE. Se estima que a medio plazo este mercado puede alcanzar cerca de 30 millones de m2 de colectores, que corresponden principalmente a los sectores residencial y comercial. No obstante, a finales de 1998 la superficie instalada de colectores era aproximadamente de 340.000 m2, distribuidos esencialmente entre las CC.AA. de Andalucía, Baleares y Canarias, que suman más del 60% de esta superficie. La ayuda pública a esta TER dentro del Programa de ER se eleva a finales de 1998 a 10,4 millones de euros. 6.4.5. Biomasa Es la TER más importante en la contribución a la energía total consumida. Los combustibles principales están constituidos por biomasa residual, biogás y biocarburantes, dependientes todos de los sectores agrícola y forestal principalmente. El consumidor fundamental de biomasa es el sector doméstico, según se desprende de la tabla 0.23. TABLA 0.23 Distribución del consumo de biomasa por sectores a finales de 1998 Sector

Doméstico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fabricación de pasta y papel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Madera, muebles y corcho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alimentación, bebidas y tabaco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cerámicas, cementos y yeso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Consumo (%)

54,6 19,0 10,5 7,1 3,6 2,3 2,9

Fuente: Las energías renovables en España. Balance y perspectivas 2000, IDAE, 1999.

En la actualidad se han desarrollado aplicaciones eléctricas de la biomasa para usos industriales, especialmente a través de la cogeneración, aprovechando la combustión de la madera y el papel. A finales de 1998, las CC.AA. de Andalucía, Galicia, Castilla León, Cantabria y Valencia suman el 71% del consumo de biomasa total. La ayuda

Perspectivas de las energías renovables

39

pública a esta TER dentro del Programa de ER se eleva a finales de 1998 a 18 millones de euros. 6.4.6. RSU Actualmente la recuperación de energía procedente de RSU mediante incineración es el proceso más usado en la UE después del vertido de residuos. A finales de 1998 la potencia instalada en España de plantas de incineración ascendía a 94,1 MW, distribuidos entre las CC.AA. de Cataluña, Madrid y Baleares, además de la ciudad de Melilla. La potencia eléctrica generada por estas plantas ascendió ese año a 586 GWh. Como proyectos más avanzados se encuentran el de Ceuta, Zabalgarbi en el País Vasco y Cerceda en Galicia. La planta de Zabalgarbi será de ciclo combinado, utilizando gas natural y RSU. La ayuda pública a esta TER dentro del Programa de ER se eleva a finales de 1998 a 25,6 millones de euros.

Referencias CE. (1999): «Energy in Europe». Annual Energy Review, COM. (1997): 599, Energy for the future: Renewable Energy Sources - White Paper for a Community Strategy and Action Plan. CNSE. (1999): Informe de la Comisión Nacional del Sistema Eléctrico sobre las compras de energía al régimen especial. EurObserv’ER. (1999): Press release (Small hydraulic in 1999, Wind energy in 1999, Photovoltaic in 1999 and Biofuels in 1999). C. Flavin y S. Dunn. (1998): «Climate of opportunity: Renewable energy after Kioto», Issue Brief, n.° 11:1-18. IDAE. (1999)» Plan de Fomento de las Energías Renovables en España, Ministerio de Industria y Energía, Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía (IDAE), Madrid. IDAE. (1999): Las energías renovables en España. Balance y perspectivas 2000, IDAE, Madrid. IDAE. (2000): Prospectiva energética y CO2. Escenarios 2010, IDAE, Madrid. Morthorst, P.E. (2000): Interactions of a tradable green certificate market with a tradable permits market, Working Paper of Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark.

1 Presente y futuro de los biocombustibles

Francisco Marcos Martín

ÍNDICE 0. Situación energética de los combustibles y crisis agrícola europea. 1.

Conceptos y cualidades de la energía de la biomasa.

2.

Concepto de biocombustible.

3. Clasificaciones de los biocombustibles. 4. Residuos de biomasa aptos para obtener energía. 4.1. Residuos forestales. 4.2. Residuos de trabajos agrícolas y de industrias agroalimentarias. 4.3. Residuos de explotaciones ganaderas. 4.4. Residuos de biomasa incluidos en los RSU. 5.

Obtención de biocombustibles.

6. Características físicas y químicas que definen un combustible. 7.

El futuro del uso energético de la biomasa en España.

Bibliografía.

0. Situación energética de los combustibles y crisis agrícola europea Los biocombustibles sólidos han sido utilizados siempre por el hombre. El hombre de las cavernas utilizaba leña y paja para calentarse, calentar su comida y obtener y transformar metales. Sin embargo, actualmente, parecen ser unos combustibles «nuevos», cuando lo que realmente es nuevo son las tecnologías que los manejan y aprovechan. Las reservas de combustibles fósiles son cada día menores, debido al alto consumo que hacemos de ellos. La civilización actual para algunos es la civilización del coche, es decir, del vehículo equipado con un motor térmico que consume gasolina o gasoil, ambos derivados del petróleo. De todos es sabido que resulta muy difícil cuantificar las reservas probadas y probables de combustibles fósiles y de los llamados «combustibles nucleares» (los entrecomillamos pues en una reacción nuclear el proceso no es una combustión, sino una transformación de masa en energía según la ecuación de Einstein). Una de las estimaciones de las reservas y recursos de combustibles fósiles es la de la tabla 1.1, según la cual distingue tres grupos de fuentes energéticas:

TABLA 1.1 Reservas y recursos de combustibles fósiles y «combustibles nucleares» en el mundo. (Saiz de Bustamante, 1981) Combustible fósil y «combustible nuclear»

Reserva (tec*)

Recurso (tec)

Primero

Petróleo Gas natural Sólidos (carbones) Uranio

1,4.1011 1,0.1011 6,8.1011 6,8.1010

4,4.1011 3,4.1011 1,0.1013 1,2.1011

Segundo

Petróleo pesado + Arenas asfálticas + Pizarras bituminosas

5,0.1011

5,0.1011

Uranio Torio

6,1.1012 3,4.1012

2,3.1013

Deuterio

—

3,4.1017

Grupo

Tercero

* tec = Tonelada equivalente de carbón = 2,93.1010 J = 7.109 cal = 7.106 kcal.

44

Los biocombustibles

— Grupo primero o fuentes de importancia económica actual a nivel regional con tecnologías plenamente desarrolladas. — Grupo segundo o fuentes de poca importancia económica actual a nivel regional, o con tecnologías poco desarrolladas y que presentan interés a medio plazo. — Grupo tercero o fuentes no utilizables actualmente con tecnologías poco o nada desarrolladas y que presentan interés a largo plazo. A pesar de ello, el mayor consumo de energía primaria y final en el mundo (tabla 1.2) es debido a los combustibles fósiles. En términos de energía primaria éstos suponen un 84% del consumo total, a nivel mundial. Los biocombustibles (englobados en parte en la biomasa) a nivel mundial suponen más de un 9% de la energía final ya que en la tabla 1.1 hay una pequeña cantidad de calor y electricidad que es obtenida con biocombustibles y que se añade al 9% de la biomasa. TABLA 1.2 Energía primaria y final en el mundo por fuente (1992) Energía primaria

Mtep

%

Energía final

Mtep

%

Combustibles sólidos (carbones y otros) . . . . . . . . . . Petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Total combustibles fósiles . . . . . .

2121 3224 1781 7126

14 21 11 45

Combustibles sólidos . . Petróleo . . . . . . . . . . . . Gas . . . . . . . . . . . . . . . Electricidad . . . . . . . . . Calor . . . . . . . . . . . . . . Biomasa . . . . . . . . . . . .

812 2334 1036 858 164 497

14 41 18 15 3 9

Nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Renovables . . . . . . . . . . . . . . . . .

510 848

3 6

Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15610

100

Total . . . . . . . . . . . .

5701

100

Es conocida entre los planificadores energéticos la siguiente anécdota: «Hace 30 años había petróleo para 30 años, hace 20 años había petróleo para 30 años, hace 10 años había petróleo para 10 años y... hoy hay petróleo para 30 años». El problema no es sólo si hay o no hay reservas de petróleo, sino a qué precio está el barril de petróleo. Para mantener ese precio, y por otros motivos políticos, se acometió una guerra (la Guerra del Golfo) y según los defensores a ultranza de las energías renovables si consideramos las «externalidades» (es decir, los costes externos indirectos) del sector petróleo este combustible fósil sería mucho más caro. Las externalidades del sector combustibles fósiles las presentamos en la tabla 1.3. TABLA 1.3 Algunas externalidades puestas de manifiesto en sector combustibles fósiles. Petróleo y derivados

Gastos militares Suciedad en ciudades Cauces de agua contaminados Lluvia ácida Gases del efecto invernadero

Carbón

Lluvia ácida Gases del efecto invernadero Suciedad en ciudades

Gas natural

Explosión de gaseoductos

Presente y futuro de los biocombustibles

45

Pero, además, Europa y España son deficitarias en petróleo por lo que el precio de los combustibles líquidos y gaseosos derivados de este recurso fósil han experimentado un alza continua de sus precios (tabla 1.4): TABLA 1.4 Evolución de los precios de los combustibles fósiles en España Butano

Año

Gasolina 97 octanos (pta./l)

Gas-oil agrícola (pta./l)

pta./12,5 kg

pta./kg

1970 1975 1980 1985 1990 1995 1999

11,0 20,0 58,0 93,0 102,0 109,0 118,0

6,5 6,5 23,0 46,0 50,0 53,0 53,0

122,0 186,0 395,0 880,0 900,0 930,0 960,0

9,76 14,88 31,60 70,40 72,00 74,40 76,80

Sirva un dato: cuando la segunda crisis energética hacía sus estragos en el centro de Europa, en Alemania la astilla como combustible se pagaba más cara que la astilla como materia prima para fabricar tableros de partículas o de fibras. En esos años, en la feria Ligna de Hannover se llegaron a presentar más de cien fabricantes de máquinas briquetadoras y peletizadoras que obtenían pelets y briquetas a partir de biomasa forestal. En la agricultura europea se ha planteado, en los últimos años un problema importante: hay excedentes de producción. Ello conlleva a: — Pérdida de trabajo rural. — Despoblamiento rural. El ruralita se convierte en urbanita, es un hombre que no se adapta a la vida de las ciudades, se crean problemas de delincuencia y además el campo pierde acervo cultural. Así, aparece como una posible salida a los productos agrícolas su uso energético. Una sociedad puede consumir toda la energía que llega, incluso cada día más. Sin embargo, los miembros de esa sociedad no pueden comer en cantidades cada vez más crecientes. Es una pena contemplar cómo a la vez que se mueren de hambre miles de personas en países africanos, sudamericanos o asiáticos en Europa sobran alimentos; pero es una realidad que está ahí, y que no debe ser olvidada. Cuando la Política Agraria Comunitaria (PAC) deje de subvencionar las plantaciones agrícolas actuales ha de buscarse una alternativa a ellas y, sin lugar a dudas, la alternativa energética es una de las más interesantes y atractivas.

1. Concepto y cualidades de la energía de la biomasa Según la FAO (1980) la biomasa se define como el conjunto de plantas terrestres y acuáticas, junto con sus derivados, subproductos y residuos producidos en su transformación. Según Jiménez Gómez (1991) el «término biomasa comprende, pues, a las materias hidrocarbonadas, no fósiles, en las que mediante el proceso básico de la foto-

46

Los biocombustibles

síntesis, se ha producido la reducción y fijación del CO2». La energía de la biomasa es una energía que cumple las siguientes características: 1.a Es una energía autóctona, lo cual conlleva su no dependencia de otros países, por lo menos en su fase de obtención. 2.a Es una energía renovable, pues procede del Sol. La producción de biomasa en la biosfera es un dato que varía según el autor consultado. Vamos a considerar los datos de dos autores y la media de los mismos. TABLA 1.5 Productividad neta de biomasa en la Tierra Wittaker (1975) Región

9

10 t/año

Bassham (1975) 9

%

10 t/año

%

Medios 9

10 t/año

%

Bosques y montes bajos . . . . . . Prados y estepas . . . . . . . . . . . . Desiertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cultivos agrícolas . . . . . . . . . . . Aguas continentales . . . . . . . . . Océanos . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79,9 18,9 2,8 9,1 4,5 55,0

47,0 11,1 1,6 5,4 2,6 32,3

71,1 15,1 0 9,2 5,0 54,9

45,8 9,7 0 6,6 3,2 35,3

75,5 18,5 1,4 9,1 4,7 54,9

46,0 11,4 0,6 5,6 2,9 33,5

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

170,2

100,0

155,3

100,0

164,1

100,0

En la tabla 1.5 se pone de manifiesto la importancia de los bosques y montes como productores de biomasa, seguidos de los océanos. La cantidad de biomasa producida por los bosques y montes (75.500 millones de toneladas), suponiendo que se trata de masa verde, de la que la mitad es agua, nos quedaría en materia seca la cantidad de 37.750 millones de toneladas que suponiendo un poder calorífico de 4.200 kcal/kg obtendríamos la cantidad de 158.550 · 1012 kcal = 158.550 · 105 tep (tonelada equivalente de petróleo). Si suponemos que el consumo de energía primaria en España fue de 101.208 ktep, obtendríamos que la biomasa fijada podría producir energía para unos 157 años.

2. Concepto de biocombustible Se entiende por biocombustible aquel combustible de origen biológico que no se ha fosilizado. Si no se añade «no se ha fosilizado» el petróleo, los carbones minerales (hulla, lignitos, turba y antracitas) y el gas natural serían considerados biocombustibles, ya que su origen también es biológico; pero han sido fosilizados hace cientos de miles de años. Marcos (2001). Por otro lado, la definición más sencilla de combustible es «cuerpo sólido, líquido o gaseoso capaz de arder». A nivel popular, se entiende como combustible toda materia que, mezclada con el oxígeno produce una reacción (de combustión) que desprende energía calorífica. En el fondo científico de la cuestión un combustible es un «almacén de energía química». En última instancia, el origen de los biocombustibles es la energía solar que es almacenada por algunos seres vivos en forma de biocombustible.

Presente y futuro de los biocombustibles

47

Una de las grandes ventajas de los biocombustibles frente a los denominados combustibles fósiles es que aquéllos son renovables y se consideran como una energía renovable destinada a suplir las carencias futuras de combustibles fósiles. De todos es sabido que los biocombustibles han sido utilizados desde siempre por el hombre, el primer combustible que utilizó fue la paja y la leña. Por este motivo, las investigaciones recientes tratan de aplicar tecnologías más eficaces y rentables, empleando los nuevos materiales, en la obtención y transformación de la biomasa en biocombustible apto para generar calor y/o energía eléctrica. Equivocadamente, en cierta bibliografía se manejaba (más antes que ahora) la palabra biocombustible para designar a los biocombustibles líquidos olvidándose de los principales biocombustibles, que son los sólidos (leñas, astillas, paja, pelets, briquetas, carbón vegetal...) y de los biocombustibles gaseosos.

3. Clasificaciones de los biocombustibles Los biocombustibles se pueden clasificar atendiendo a varios criterios. La clasificación en función del origen de los mismos aparece en la tabla 1.6. Su clasificación según su apariencia física aparece en la tabla 1.7. Los biocombustibles agrícolas pueden proceder de cultivos energéticos, restos de cultivos agrícolas o residuos de industrias agrarias. Los forestales pueden proceder de cultivos energéticos forestales (chopo, sauce...), restos de operaciones selvícolas (podas, claras, clareos, cortas finales), o residuos de industrias forestales de primera o de segunda transformación. Los ganaderos suelen ser residuos de granjas, industrias cárnicas o de otro tipo de industrias ganaderas. Los residuos sólidos urbanos, procedentes de actividades humanas, también originan biocombustibles. También aparecen biocombustibles mezclando los anteriores. La tabla 1.6 recoge esta clasificación (ver en página siguiente). También pueden clasificarse atendiendo a su aspecto físico. Según este criterio pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Así obtenemos la tabla 1.7. En la gráfica 1.1 presentamos las principales características comparativas de los principales biocombustibles sólidos. El último biocombustible es biomasa sólida cultivada y engloba la biomasa procedente de cultivos de cardo, miscanthus y otros cultivos energéticos cuya biomasa sólida se suele emplear para generar calor y/o electricidad. Para distinguirlos hemos de tener en cuenta que sólo uno de ellos, el carbón vegetal, sufre transformación química para ser obtenido a partir de la materia prima, sólo dos de ellos tienen habitualmente alta densidad (superior a 0,95 kg/cm3). Veremos en el capítulo 4 que lo que los diferencia es el tamaño: las briquetas son más grandes. El tamaño va a ser también lo que distinga la leña de las astillas.

4. Residuos de biomasa aptos para obtener energía Según Jiménez Gómez (1991), las opciones para usar los residuos de biomasa son cinco. La primera es la fertilización y conservación de suelos. Sería un uso agrícola al que añadimos un uso también selvícola y de recuperación de terrenos. Es el uso de los

48

Los biocombustibles TABLA 1.6 Clasificación de los biocombustibles en función de su origen

Origen del biocombustible

Especie o procedencia

Cultivos energéticos

Agrícolas

Cardo, sorgo, miscanto, girasol, soja, maíz, trigo, cebada, remolacha, especies C4 agrícolas...

Forestales

Chopos, sauces, eucaliptos, robinias, acacias, especies C4 forestales...

Cultivos herbáceos

Paja, restos de cereales y otras especies herbáceas...

Cultivos leñosos

Olivo, vid, frutales de hueso, frutales de pepita y otras especies leñosas...

Restos de tratamientos selvícolas

Podas, claras, clareos, restos de cortas finales

Especies forestales de los montes

Restos de industrias forestales

Industrias de primera transformación de la madera

Especies de madera española o importada utilizadas por estas industrias

Industrias de segunda transformación de la madera

Especies de madera española o importada utilizadas por estas industrias

Restos de cultivos agrícolas

Restos de industrias agro-alimentarias

Especies vegetales usadas en la industria de la alimentación.

Restos de explotaciones ganaderas

Animales de granja, domésticos...

Restos de actividades humanas

Todo tipo de biomasas sólidas urbanas

TABLA 1.7 Clasificación de los biocombustibles según su aspecto físico Aspecto físico

Biocombustible

Sólidos

Leñas y astillas Paja de cereales y biomasa de cardo, miscanthus... Biocombustibles sólidos densificados (pelets y briquetas) Carbón vegetal

Líquidos

Líquido piroleñoso Líquido de hidrólisis Bioteanol y bioalcoholes Aditivos oxigenados Aceite vegetal Metiléster

Gases

Biogás de origen muy diverso

Presente y futuro de los biocombustibles

49

COMPARACIÓN BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS BIOCOMB. SÓLIDO

PCS0 (kcal/kg)

HUMEDAD DENSIDAD (%)

LEÑAS

4.200-4.500

30-60

ASTILLAS

4.200-4.500

PALETS

USO

TRANSF.

BAJA

DOMÉST.

FÍSICA

20-60

BAJA

INDUST.

FÍSICA

4.200-4.500

< 12%

ALTA

DOM.+IND.

FÍSICA

BRIQUETAS

4.200-4.500

< 12%

ALTA

DOMÉST.

FÍSICA

CARBÓN VEGETAL

7.200-7.700

4-10%

BAJA

BIOMASA SOL. C.

4.200-4.500

20-60

VARIABLE

DOM.+IND. FÍS.+QUÍM. INDUST.

FÍSICA

Gráfica 1.1

lodos de depuradora de EDAR (estaciones depuradoras de aguas residuales), que se utilizan en terrenos agrícolas, en creación de vegetación en taludes y terraplenes de carreteras, en trabajos de «recuperación de tierras» afectadas por acciones humanas en la industria, minería y otras múltiples obras civiles. La segunda es utilizarlos como sustrato productivo. No se refiere al uso como abono, sino como materia prima que forma la base prioritaria (en su mayor parte) sobre la que crecen lombrices (utilizadas con fines agrícolas posteriormente), setas (usadas con fines alimentarios), levaduras (empleadas en la industria alimentaria) o bacterias (usadas en la industria farmacéutica y química). La tercera es para alimentación humana (hay algunos residuos de origen vital que aún pueden ser consumidos por el hombre como alimento). La cuarta es para alimentación ganadera. También hay residuos de biomasa que se pueden emplear para la alimentación del ganado. Ha de recordarse que las gallinas, los cerdos, las palomas, los pavos e incluso los patos domésticos durante años se han alimentado de restos de comida humana (mondas de patata, restos de frutas variadas como naranja, pera, manzana, sandía, melón...). La quinta, que es la que nos ocupa en este libro es para producir energía. El residuo, si su poder calorífico superior anhidro supera las 3.200 kcal/kg puede ser estudiado como fuente de energía. De hecho a lo largo de la historia el hombre ha consumido con este fin las leñas procedentes de podas de árboles frutales, vides, olivos y árboles forestales. Según el autor citado «...las opciones de tratamiento de la biomasa pueden situarse dentro del amplio campo comprendido entre su simple eliminación por combustión y su conversión en productos susceptibles de incorporarse a los ciclos biogeoquímicos. La eliminación por combustión es práctica generalizada para todos aquellos residuos con capacidad de quemarse. La quema de rastrojos (el resto de paja que queda en un campo de cereales cuando se cosecha la espiga) sobre el propio campo de cultivo ha

50

Los biocombustibles

sido tradicional, pues tenía la ventaja de devolver al suelo buena parte de las sales inorgánicas no volátiles exportadas por las plantas. Pero el fuego no es un buen aliado del suelo: Coagula coloides, destruye materia orgánica, incluida la microflora y la microfauna, elimina volátiles decisivos para el desarrollo radicular, modifica el pH, le hace perder porosidad y capacidad de retención de agua, etc. A todo ello hay que añadir las pérdidas energéticas, el consumo de oxígeno y las emisiones de CO2 y de vapor de agua a la atmósfera.» La primera impresión, tras estudiar los posibles usos de los residuos, puede hacer pensar que el uso menos noble es quemarlos para producir energía. Sin embargo, esta impresión no es del todo correcta pues con los residuos de biomasa se pueden obtener los dos vectores energéticos de mayor calidad que son la energía eléctrica y los biocombustibles líquidos. La energía eléctrica presenta grandes ventajas (como veremos en el capítulos posteriores) que nunca deben ser obviadas. Sin embargo, los combustibles líquidos presentan la ventaja de su almacenaje y su facilidad de movimiento debido a que los líquidos (a diferencia de los sólidos) ocupan el volumen del recipiente que los contiene (esa es la gran ventaja del uso de gasolina, gasoil, fueloil y otros combustibles líquidos). La estimación de los residuos biomásicos totales (RBT) o residuos orgánicos totales en una zona concreta es difícil de realizar. Los residuos biomásicos pueden ser agrupados en: 1. Residuos forestales que pueden proceder de trabajos selvícolas y/o de las industrias forestales de primera y/o segunda transformación (RF). 2. Residuos agrícolas que proceden de trabajos agrícolas y/o de industrias agroalimentarias (RA). 3. Residuos de explotaciones ganaderas (RG). 4. Residuos de biomasa incluidos en los RSU (RBSU). La suma de todos ellos supone los residuos de biomasa totales. RBT = RF + RA + RG + RBSU Vamos a tratar de suministrar unos coeficientes obtenidos de la bibliografía consultada y de nuestra experiencia de trabajo en inventariación de biomasas. 4.1. Residuos forestales Según ASINEL (1992) los residuos son el 28% en volumen de la madera de los aprovechamientos forestales, medida en metros cúbicos con corteza. Los residuos forestales (RF) son la suma de los residuos que pueden proceder de trabajos selvícolas (RTS) más los residuos que proceden de las industrias forestales de primera y/o segunda transformación (RIF): RF = RST + RIF Los residuos de los trabajos selvícolas (RTS) son agrupados en residuos de claras y clareos (RCC), residuos de podas (RP) y residuos de cortas finales (RCF), medidos en miles de toneladas por año, que agrupan ramas, raberones y tocones (cuando éstos son

Presente y futuro de los biocombustibles

51

extraídos, que debido a razones económicas y ecológicas no se hace en todos los casos). Por tanto: RTS = RCC + RP + RCF La repartición de la masa seca en un árbol es variable según el autor consultado. En la tabla 1.8 se consideran los datos aprotados por Virkola (1976) y los datos medios de otros autores: TABLA 1.8 Composición media del árbol, en masa Pino silvestre (Virkola) Parte del árbol

Datos medios % en masa seca

Hojas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ramillas de diámetro menor a 1 cm + . . . . . . . ramas de diámetro mayor de 1 cm y . . . . . . menor de 7 cm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tronco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corteza total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuello de la raíz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resto de la raíz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 7 55 14 9 9

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

Parte del árbol

Tronco Ramas Hojas Tocones

TOTAL

% en masa seca

65-67 14-16 3 13-16

95-102

En la segunda parte de la tabla el tronco incluye la corteza por lo que el valor es ligeramente menor (65-67%) frente al 69% que sería el dato de tronco+corteza proporcionado por Virkola y Carré. El tocón de la tercera columna presenta menores valores (13-16%) que la suma de cuello de la raíz y otras partes de la raíz (suman 18%) ya que no se consideran las raicillas, pues desde el punto de vista ecológico debemos pensar que nunca deben extraerse ya que en zonas de pendiente retienen la erosión. La suma de ramas y hojas de la tercera columna (14+3=17% ó 16+3=19%) es ligeramente superior a la suma de hojas y ramas (13%) más su correspondiente corteza (podría ser un 3% más); pero esta diferencia está totalmente justificada ya que los pinos silvestres de los países nórdicos crecen en espesura, con pocas ramas, en comparación con los árboles forestales españoles que, por falta de agua, crecen en menor espesura por lo que llega más la luz y generan más ramas. Los residuos de las industrias forestales (RIF) son más fáciles de cuantificar pero su calidad y cantidad son también muy variables. Dependen del tipo de industria, el precio relativo mano de obra/energía, el precio relativo mano de obra/amortización de maquinaria que maneje cada industria, la tecnología empleada, la legislación ambiental de cada país, que permita o no la evacuación de residuos forestales (con su alta carga energética), la capacidad inversora de la industria. Cuanto mayor sea esta capacidad de inversión mejor uso hará de su materia prima y de sus residuos, el precio de mercado del kWh de energía eléctrica y el precio de mercado de la kcal o de la termia de energía térmica.

52

Los biocombustibles

Gráfica 1.2

Presente y futuro de los biocombustibles

53

En la gráfica 1.2 se señala, según Peraza (1985), el flujo de las industrias de la madera y de su aprovechamiento. Se observa que son abundantes los restos que se dedican a la xiloenergética, es decir, al uso energético. Tal vez con un ejemplo lo entendamos mejor. La industria cajonera chilena, solía producir entre 1 m3 - 1,5 m3 de residuo por cada metro cúbico de madera aprovechada, cuando la mano de obra era barata y los requerimientos ambientales en tema de residuos eran poco exigentes. A medida que la mano de obra se encarece y los requerimientos ambientales se endurecen se ha hecho necesaria la construcción de centrales termoeléctricas cogeneradoras (calor y electricidad) que usan estos residuos con fines energéticos. En la publicación del desaparecido Centro de Estudios de la Energía (que dio lugar al actual Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía) «La biomasa como fuente energética» (1980) se supone que los residuos de industrias forestales (RIF) medidos en miles de toneladas son la suma de los residuos de ramas (RIF1), los residuos de corteza, serrín y virutas de ramas (RIF2), los residuos de corteza, serrín y virutas de madera en rollo (RIF3) y los residuos de hojas, tocón y raíces (RIF4). RIF = RIF1 + RIF2 + RIF3 + RIF4 Para los dos primeros (RIF1 y RIF2) no hay datos, entre la bibliografía consultada, que nos parezcan fiables. Dependen del tipo de industria y de las tecnologías empleadas. Los coeficientes empleados en la publicación citada dependieron del residuo considerado. Los residuos de corteza, serrín y virutas de madera en rollo, medidos en Mt, se obtienen multiplicando por 0,0001995 la corta anual medida en metros cúbicos con corteza. Los residuos de hojas, tocones y raíces medidos en Mt, se obtienen multiplicando por 0,00016 la corta anual medida en m3 con corteza. 4.2. Residuos de trabajos agrícolas y de industrias agroalimentarias Los residuos agrícolas (RA) pueden proceder de los cultivos agrícolas tradicionales (RCA) o de las industrias agro-alimentarias (RIA). RA = RCA + RIA = RCAH + RCAL + RIA Los residuos de las cultivos agrícolas, a su vez, pueden ser herbáceos (RCAH) o leñosos (RCAL). Son también difíciles de evaluar con exactitud. Pueden ser cuantificados, de forma aproximada, utilizando las tablas que presentamos a continuación. Dependen de cada zona concreta (naturaleza del suelo, composición química del suelo...) y la pluviometría del año que estemos considerando. Son residuos muy estacionales, pues su variabilidad es grande. Presentamos varias tablas para que el lector del libro pueda utilizar la que más se adapta a su caso particular. Respecto a la productividad, que también depende de condiciones edáficas y climáticas, podemos presentar la tabla 1.10. En cuanto a los residuos leñosos producidos por los cultivos agrícolas podemos señalar las siguientes producciones de residuos (tabla 1.11). Estos residuos leñosos originan leñas de las que hablaremos en el capítulo 3 y sus características de combustión son muy distintas de las que presentan los residuos agrícolas herbáceos.

54

Los biocombustibles TABLA 1.9 Residuos de algunos cultivos agrícolas herbáceos españoles Centro de Estudios de la Energía (1980)

Jiménez Gómez (1991)

Valor medio

kg residuo/ kg fruto

kg residuo/ kg producto

kg residuo/ kg producto

—

2,0

2,000

Arroz . . . . . . . . . . . . . . . . Avena . . . . . . . . . . . . . . . . Cebada . . . . . . . . . . . . . . Centeno . . . . . . . . . . . . . . Trigo . . . . . . . . . . . . . . . . .

1,50 1,35 1,35 2,50 1,20

1,5 1,4 1,4 2,5 1,2

1,500 1,375 1,375 2,500 1,200

Maíz . . . . . . . . . . . . . . . . .

2,73

2,7

2,715

Remolacha azucarera . . .

—

0,2

0,200

Soja . . . . . . . . . . . . . . . . .

—

1,1

1,100

Sorgo . . . . . . . . . . . . . . . .

1,70

—

1,700

Cultivo

Caña de azúcar

.......

TABLA 1.10 Productividad de los principales cultivos agrícolas españoles Superficie cultivada en España (ha)

Productividad cosechable (hc) kg/ha

Vida Rural (varios números, 1998-99)

ASINEL (1982)

ASINEL (1982)

Fuentes propias (1999)

112.484 *

15.830 5.501 8.335 2.058 4.866

6.332 2.341 3.547 686 1.622

6.800 2.300 3.500 700 1.600

7.030 2.144 — — —

Maíz secano Maíz regadío

*

7.632 19.482

2.544 6.494

2.500 8.500

2.928 8.851

Patatas secano

*

16.214

13.512

12.000

14.479

Patatas regadío Remolacha seca Remolacha reg. Trigo secano Trigo regadío

*

22.849 36.253 53.397 4.604 8.465

19.041 27.887 41.075 2.093 3.848

19.000 27.500 41.000 2.050 3.900

23.124 15.479 51.550 — —

Cult. forrajeros secano Cult. forrajeros regadío

*

Productividad comercial (hc) kg/ha

Cultivo

Arroz Cebada secano Cebada regadío Girasol secano Girasol regadío

MAPA (1998)

20.776 44.965

hc = Humedad de cosecha. * Estos datos son variables cada año, dependen en parte o en gran medida de las subvenciones europeas. Al lector que desee disponer de ellos le aconsejamos que consulte la última estadística agraria publicada por el Ministerio de Agricultura, Pesca o Alimentación.

Presente y futuro de los biocombustibles

55

TABLA 1.11 Producción de residuos, especies agrícolas leñosas

Especie (s)

Almendro Cítricos Frutales Frutos secos

Centro de Estudios de la Energía (1980)

Jímenez Gómez (1991)

ASINEL (1982)

kg residuo/pie

kg residuo/pie

t residuo/ha

3,0

3,0

—

2,5

2,5

2,0

De hueso

2,5

2,5

2,0

De pepita

2,5

2,5

3,5

—

—

1,5

Olivar

8,0

8,0

1,7

Viñedo

0,5

1,0

3,5

En cuanto a las productividades de estos cultivos agrícolas podemos señalar las siguientes (tabla 1.12). Las industrias agro-alimentarias producen grandes cantidades de residuos. Ellas mismas, si son grandes y tienen capacidad inversora, los transforman y aprovechan o venden en muchos casos. Los residuos de estas industrias son muy variables y, a veces, difíciles de evaluar. Dependen del tipo de industria, las tecnologías que maneje, la línea de producción, la exigencia medioambiental en temas de residuos de la región donde se ubique la industria, los precios de mercado de la energía térmica y eléctrica... Si la industria es grande y tiene capacidad inversora tiende a un aprovechamiento energético del residuo mediante la combustión del mismo y la cogeneración de calor y electricidad. Si no se dan estos dos condicionantes tiende a la reutilización del mismo. Pero en muchos casos la reutilización es muy cara por lo que tiende a vender el residuo a otro tipo de industria que lo aprovecha en mayor o menor medida; pero que evita el problema de su vertido. Especialmente contaminantes son las industrias de aprovechamiento del aceite de oliva. Sus residuos (los alpechines) son muy contaminantes y su vertido a los ríos está prohibido por lo que se ha estudiado su uso energético. Hernando y otros (1986) caracterizamos el alpechín como biocombustible obteniendo como resultado que es un combustible de bajo poder calorífico pero que seco presenta unas variables de combustibilidad buenas, aunque emite gases que pueden ser contaminantes. Su uso como combustible, por tanto, presenta sólo dos inconvenientes: Su secado y la necesidad de filtros en su combustión. 4.3. Residuos de explotaciones ganaderas Los residuos de las explotaciones ganaderas son de dos tipos: Líquidos y sólidos. Con los residuos líquidos se puede obtener biogás con un alto poder calorífico. Con los sólidos, debido a que son muy ricos en nitrógeno, suelen obtenerse abonos de calidad.

56

Los biocombustibles TABLA 1.12 Productividad de los principales cultivos frutales españoles 1

Especie y forma de cultivo

Almendro

Rev. Vida Rural. Varios números (1997-1999)

Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentac. (1998)

kg/ha

kg/ha

Cataluña Valencia Andalucía Aragón Baleares

98 69 48 60 60

— — — — —

Secano Regadío

— —

204 885

— — —

20.561 21.215 10.948

Naranjo Mandarino Limonero Manzano

Secano Regadío

— —

6.097 19.418

Melocotón

Secano Ragadío

— —

3.430 10.138

Peral

Secano Regadío

— —

5.426 13.763

Viñedo

Secano Regadío

— —

3.393 17.359

Olivar

Secano Regadío

— —

678 2.362

Cacahuete

Secano Regadío

— —

891 2.558

Maíz forrajero

Secano Regadío

— —

39.264 53.699

Alfalfa

Secano Regadío

— —

18.336 54.804

Remolacha forrajera

Secano Regadío

— —

24.548 47.082

(1) De la superficie en producción, no la plantada.

4.4. Residuos de biomasa incluidos en los RSU Los residuos de biomasa incluidos en los llamados residuos sólidos urbanos (RSU) son una fracción de ellos. Los RSU son una mezcla de residuos orgánicos e inorgánicos (plásticos, metálicos, de vidrio, de materiales de construcción, ...). Su problemática puede ser muy distinta a la de todos los residuos considerados anteriormente. Los RSU contienen una parte importante que no son residuos orgánicos, compuesta por vidrio y otros residuos que no arden. Según el IDAE (1992), la composición de los RSU de una gran ciudad como Sevilla es la siguiente (tabla 1.13). Además, la fracción combustible de los RSU contiene plásticos en un 6,5% que pueden presentar graves problemas ambientales en su combustión ya que es suscepti-

Presente y futuro de los biocombustibles

57

TABLA 1.13 Composición de los RSU de Sevilla (IDAE, 1992) Material

%

Papel y cartón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Materiales plásticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Madera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Textiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Materia orgánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inertes (vidrio, cerámica, metales...) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12,3 6,5 1,6 1,4 64,4 12,3 1,5

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

TABLA 1.14 Tipo de transformación para obtener un biocombustible a partir de biomasa Transformación

Proceso

Biocombustible

Física

Fragmentación

Leñas y astillas

Física y química (a veces)

Fragmentación Secado Compactación

Pelets y briquetas

Físico-química

Fragmentación Carbonización

Carbón vegetal y briquetas de carbón vegetal

Fragmentación Diferentes procesos químicos

Líquido piroleñoso

Fragmentación Hidrólisis ácida o hidrólisis básica

Líquido de hidrólisis

Alcoholización

Bioetanol

Fragmentación Procesos físicos y/o químicos de obtención de aceite

Aceite biológico

Fragmentación Obtención de aceite Esterificación

Metiléster

Gasificación

Biogás

ble de emitir compuestos orgánicos peligrosos como las dioxinas y furanos. También estos gases pueden contener (Sáiz de Omeñaca, 1997): — «partículas sólidas, con metales pesados y distintos compuestos orgánicos, clorados o no: entre un 3 y un 5% de inquemados sólidos y cenizas del combustible, con óxidos, cloruros y sulfatos, generalmente poco reactivos, de mercurio, cinc, plomo, cromo, níquel, cadmio, manganeso y arsénico. — gases ácidos: ClH formado a partir de PVC (policloruro de vinilo) y otros plásticos, SOx (principalmente SO2) y FH, formado a partir de plásticos como el teflón, pero en una proporción entre centésimas y milésimas de la cantidad

58

Los biocombustibles

Gráfica 1.3.

conjunta de ClH y NOx procedente de los combustibles, ya que la temperatura no es tan alta como para tener un origen térmico, y otros varios. — metales en estado de vapor (mercurio, cadmio, plomo, cinc y diversos microcontaminantes, entre los que deben destacarse hidrocarburos de tipo aromático y derivados, clorados o no; varían según la composición de los residuos, catalizadores presentes (principalmente los citados metales pesados), precursores directos (clorofenoles, clorobencenos, etc.) o indirectos (PVC, hidrocarburos, elastómeros y otros).»

5. Obtención de biocombustibles Para obtener un biocombustible a partir de la biomasa agrícola, forestal, ganadera, urbana o mezcla de alguna de ellas, las transformaciones pueden ser físicas, químicas o ambas a la vez. Dentro de las transformaciones físicas utilizadas podemos señalar las siguientes: 1. Fragmentación. Su objetivo es aumentar la superficie específica, con ello se facilita la ignición y combustión del biocombustible y homogeneizar el tamaño del combustible, facilitando su manipulación. 2. Secado. Su objetivo es aumentar su poder calorífico y facilitar el proceso, como en el caso de los pelets y briquetas de madera, ya que si la materia prima está muy húmeda el proceso es muy caro y se obtiene un producto final de mala calidad. 3. Compactación o densificación. Para así aumentar su densidad y disminuir gastos de almacenaje y transporte. Debido a la baja densidad de algunos biocombustibles es preciso compactarlos con lo que a igualdad de peso ocupan menos volumen. Así se obtienen los pelets y briquetas.

Presente y futuro de los biocombustibles

59

Las transformaciones químicas son muy diversas y dependen de la materia prima y del biocombustible final que se desea obtener. Hablaremos con detalle de ellas cuando hablemos de cada biocombustible concreto. La gráfica 1.3 presenta, como ejemplo, los procesos físicos de transformación de la biomasa forestal de carácter residual para su aprovechamiento energético. Para cada tipo concreto de biocombustible tendremos un proceso concreto de obtención.

6. Características físicas y químicas que definen un combustible Las características físicas y químicas que definen un combustible y las unidades en que se miden se recogen en la tabla 1.15. Algunas de ellas como la superficie específica sólo es interesante su consideración en biocombustibles sólidos. Otras, TABLA 1.15 Características físicas, químicas y físico-químicas de los biocombustibles y sus unidades de medida, a partir del trabajo "Normalización de biocombustibles sólidos", financiado por el Ministerio de Industria y Energía (2000), no publicado. Físicas

1 2 3

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Forma Aspecto (color, brillo) Densidades Peso del estéreo1 Humedades Superficie específica1 Porcentaje de corteza2 Friabilidad Resistencia a la compresión Viscosidad3 Índice de Kuop3 Temperatura de ebullición3 Otros índices físicos exclusivos de combustibles líquidos y gaseosos

— — kg/dm3 kg/estéreo % cm2/dm3 % Índices kg/cm2 poise Índice Kuop °C Índices

Composición química elemental Composición química por compuestos Composición química de cenizas Composición química de gases de escape Poderes caloríficos Índice de yodo (3) Índices de octano y cetano (3) Otros índices químicos exclusivos de combustibles líquidos y gaseosos

% % % % kJ/kg, kcal/kg Índice yodo Índices Índices

Químicas

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Físicoquímicas

1. Coeficiente de conductividad térmica 2. Combustibilidad: Temperaturas y tiempos de combustión 3. Inflamabilidad: Temperatura y tiempo de inflamación. Temperatura máxima de llama 4. Potencia calorífica 5. Densidad energética y energía del estéreo1

Sólo en biocombustibles sólidos. Sólo en las leñas, podría emplearse en biocombustibles sólidos densificados. Sólo en biocombustibles líquidos.

W/m.s °C, s °C,s,°C W/s kJ/dm3, kJ/est

60

Los biocombustibles

Gráfica 1.4.

Gráfica 1.5.

Presente y futuro de los biocombustibles

61

como el porcentaje de corteza, son sólo características de un biocombustible (la leña). Otras (viscosidad, por ejemplo) sólo se pueden determinar en combustibles líquidos. La gráfica 1.4 presenta las principales características físicas, químicas y físico-químicas que deben considerarse para caracterizar biocombustibles sólidos. Las gráficas 1.5 y 1.6 muestran las relaciones entre las principales variables físicas y químicas de los biocombustibles sólidos. Por último, la gráfica 1.7 señala la línea de caracterización y ensayos seguida por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medio Ambientales y Tecnológicas (CIEMAT), en Lubia (Soria). Desde el punto de vista energético, una de las principales características de los biocombustibles es su poder calorífico. La definición clásica de Kollmann (1959) sobre el poder calorífico como «el calor desprendido por kilogramo de combustible en combustión completa a la presión constante de 1 kg/cm2» precisa ciertas matizaciones. Bonfill (1985), Buatas (1982), Elvira (1982) y Marcos (1986) han distinguido los conceptos de poder calorífico superior (PCS) y poder calorífico inferior (PCI). Los dos últimos autores citados añaden el poder calorífico real (PCR). Respecto a la definición clásica de Kollmann debemos indicar que la obtención de poderes caloríficos, en España, se realiza en combustiones completas pero a volumen constante, no a presión constante; y que la presión del oxígeno en la bomba calorimétrica no es de 1 kg/cm2 sino que es de al menos 20 kg/cm2, generalmente 30 kg/cm2.

Gráfica 1.6.

62

Los biocombustibles

Gráfica 1.7.

Podemos distinguir, por tanto, los siguientes conceptos (Marcos, 2001): — Poder calorífico superior (PCS). También es llamado calor de combustión superior. En inglés se denomina gross heating value. Es el calor desprendido por un kilogramo de biomasa forestal, y su valor se mide en bomba calorimétrica. La combustión, como ya hemos indicado, se realiza a volumen constante. El agua de combustión es recogida en forma líquida. Su valor depende de la humedad de la muestra. En este libro se aportan datos sobre el PCS de biomasa forestal. — Poder calorífico inferior (PCI). En inglés lower heating value. Es el calor desprendido por un kilogramo de combustible, en una combustión en la que el agua del combustible se libera en forma de vapor. Si este agua se condensa desprendería calor y obtendríamos entonces el PCS, añadiendo al PCI este calor desprendido. Por tanto, el PCI es menor que el PCS, y, a mayor humedad del combustible, mayor resulta ser esta diferencia. Como la mayor parte de las calderas disipan por sus chimeneas el agua en forma de vapor, sin recuperadores, el PCI es el poder calorífico que debe emplearse en la industria. Sin embargo, experimentalmente, sólo se calcula el PCS, y a partir de éste se obtiene el PCI. El PCI, como el PCS, depende de la humedad. Merece especial importancia el PCI a la humedad 0. Las tablas que comparan poderes caloríficos deben hacerse en base al PCI a humedad 0; si no se indica la humedad, los datos no pueden ser comparados. La gráfica 1.8 presenta el diagrama de obtención en laboratorio del PCS anhidro en la que se señalan los instrumentos necesarios

Presente y futuro de los biocombustibles

63

Gráfica 1.8.

para su obtención. En muchos casos, despreciando el contenido en H2 del biocombustible, se supone que el PCS anhidro es igual al PCI anhidro. — Poder calorífico real o efectivo (PCR). También llamado poder calorífico neto, denominación poco aconsejable pues no depende sólo del combustible. Se obtiene multiplicando el PCI por el rendimiento de la combustión que, a efectos prácticos, suele ser de 0,85. Bonfill (1984) calcula este valor en función de la humedad, mediante ensayos en calderas. Estos cálculos son prácticos; pero para la investigación teórica de poderes caloríficos de especies forestales no son del todo fiables, ya que presuponen conocido con exactitud el rendimiento de la caldera. TABLA 1.16 Poder calorífico superior anhidro de los principales biocombustibles Biocombustible

Leñas y astillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pelets y briquetas de madera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carbón vegetal y briquetas de carbón vegetal . . . . . . . . . . Líquido piroleñoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Líquido de hidrólisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bioetanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bioaceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metiléster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Poder calorífico superior anhidro kcal/kg

4.500- 5.300 4.500- 5.3001 7.200- 7.800 8.000- 8.500 8.000- 8.500 9.700-10.500 9.700-10.500 9.700-10.500 Variable

1 El poder calorífico superior de pelets y briquetas es función de la materia prima empleada para obtener los mismos. El dato de 4.500-5.300 kcal/kg se refiere a cuando únicamente se emplean madera y productos derivados de la madera (restos de tableros de fibras, partículas o contrachapados).

64

Los biocombustibles

Por todo lo anterior, y a pesar de la existencia de fórmulas que facilitan el poder calorífico en función de la composición química, como la de Dulong y Petit citada por Kollmann (1959), que se señala a continuación, creemos conveniente indicar que el mejor método para obtener los poderes caloríficos es el ensayo en bomba calorimétrica. Así obtenemos el PCS y, a partir de él, el PCI y, para cada caldera, el PCR. Fórmula de Dulong y Petit citada por Kollmann: o PCI0 = 8.100.c + 34.000 h – ᎏ + 2.500.s 8 PCI0 = Poder calorífico al 0% de humedad. c, h, s, o = Tanto por uno en masa de carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre. TABLA 1.17 Poderes caloríficos (Palz y Chartier) citado por ASINEL Producto

Poder calorífico (kcal/kg)

Glucosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Celulosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.100 4.550

Proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grasas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.300 9.300

Grano

Avena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cebada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maíz y centeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.700 3.300 3.500 3.500

Paja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.800

Raíces feculentas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Remolacha azucarera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Patata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

800 680 900

Legumbres secas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.500

Fruta fresca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fruta seca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

550 2.800

Azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maíz forrajero en verde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Madera seca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.900 900 3.600 - 4.700

Los poderes caloríficos son medidos en kcal/kg por ser ésta una unidad muy utilizada en la industria. Científicamente, debe tenderse a expresar el poder calorífico según unidades del Sistema Internacional de Unidades, es decir, en kJ/kg. El poder calorífico superior, determinado en bomba calorimétrica, se calcula por encima del 9% (humedad a peso seco). Por debajo de esta humedad residual habría que secar utilizando aire a 150 °C, y esta operación provoca alteraciones en los componentes de la muestra a ensayar, falseando los resultados obtenidos. Una fórmula propuesta por Elvira y Marcos, no del todo correcta (pero aproximada), para determinar el poder calorífico a la humedad h, en los biocombustibles sólidos de origen ligno-celulósico, siendo h la humedad en base seca:

Presente y futuro de los biocombustibles

h = (Ph – P0) / P0

65

[1]

donde Ph es el peso húmedo (a la humedad h) medido en kg y P0 es el peso seco (sin agua) medido en kg. El valor del PCI en función del PCS0 y la humedad se puede obtener a partir de la fórmula siguiente: PCIh = PCS0 [1/(1 + h)] – 665 [(0,54 + h)/(1 + h)] en kcal/kg

[2]

Si la humedad se mide en base húmeda H: H = (Ph – P0) / Ph

[3]

La relación entre las dos humedades es: H = h / (1 + h)

[4]

h = H / (1 – H)

[5]

Como h y H son siempre mayores o iguales a cero: H es menor que h, excepto para h = 0 = H La expresión [2] del poder calorífico inferior en base H será (Elvira y Marcos): PCIH = PCS0 (1 – H) – A (0,54 + 0,46 H) en kcal/kg

[6]

A debe valer entre 582 kcal/kg y 665 kcal/kg ASINEL (1982) facilita una tabla básica de los poderes caloríficos (tabla 1.17), debida a Palz y Chartier. En ésta se recogen los valores del poder calorífico para los distintos productos agrícolas.

7. El futuro del uso energético de la biomasa en España Datos facilitados por el Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) señalaban que el consumo de energía de biomasa en España, en 1997, corresponde principalmente a las leñas tradicionales, seguidas por los residuos de industrias forestales y agrícolas. A una distancia considerable aparecen los residuos forestales y agrícolas, los residuos biodegradables, los cultivos energéticos y los llamados biocarburantes (son los biocombustibles líquidos). Estos datos, en un futuro próximo, sufrirán notables modificaciones si se ponen en marcha las medidas presentadas por el Plan de Fomento de las Energías Renovables en España (IDAE, 2000). En el capítulo 2 estudiaremos las previsiones del uso de cultivos energéticos que modificará notablemente, si se lleva a cabo, el consumo de paja de cereales y de cardo. Además, como puede estudiarse en los capítulos 6, 7, 8 y 9 los biocombustibles líquidos (llamados biocarburantes) supondrán un aporte importante en el 2010. De hecho ya hay una planta de bioetanol construida (en Cartagena) y existen dos proyectos de otras

66

Los biocombustibles TABLA 1.18 Consumo de biomasa en España. Año 1997 Tipo de biomasa

Consumo año 1997 (en ktep)

Leñas tradicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Residuos de industrias forestales y agrícolas . . . . . . . . . . . Residuos forestales y agrícolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Residuos biodegradables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cultivos energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biocarburantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.710,6 1.575,2 291,9 44,5 — —

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.622,2

TABLA 1.19 Plantas de bioetanol previstas en España, enero, 2001 Producción Millones de litros anuales de bioetanol

Lugar

Babilafuente (Salamanca) . . . . . . . . . . . . . . . . . La Coruña . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cartagena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

200 126 100

TABLA 1.20 Previsiones energéticas 1999-2010 por origen y aplicación de la biomasa Producción

Tep

Residuos forestales (150.000 ha/a x 3 tep/ha/a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Residuos agrícolas leñosos (875.000 ha x 1,5 t/ha x 0,26 tep/t) . . . . . . . . Residuos agrícolas herbáceos (1.350.000 ha x 3,6 t/ha x 0,28 tep/t) . . . . Residuos industrias forestales y agrícolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cultivos energéticos 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

450.000 350.000 1.350.000 500.000 3.350.000

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.000.000

TABLA 1.21 Aplicaciones previstas en 2010, para la biomasa, en España Aplicación

Tep

Aplicaciones térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones eléctricas (1.780 MW < > 11.912 GWh/a) 2 . . . . . . . . . . . . .

900.000 5.100.000

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.000.000

Fuente: IDAE. Hipótesis expansiva. 1 Rendimiento neto medio considerado del 20 %. 2 Se supone la ocupación de una extensión de tierras con índices de regionalización mayor de 2.

dos plantas de bioetanol, una en Salamanca y otra en La Coruña (tabla 1.20), aparte de las plantas de biodiesel que están siendo estudiadas en la actualidad (enero, 2001): A continuación transcribimos, por su interés para España y como modelo para países hispanoamericanos, el Plan de Fomento de las Energías Renovables, elaborado por el IDAE. Queremos comentar que este plan es fruto de varias personas, investigadores universitarios y de centros públicos y privados y según el autor del presente capítulo se debe fundamentalmente a la coordinación que llevó a cabo el ingeniero de Montes don Julio

Presente y futuro de los biocombustibles

67

Artigas Cano de Santayana, ayudado por don Carlos Fernández y supervisados ambos por don Cayetano Fernández y demás personal responsable en la dirección del IDAE. «Las previsiones energéticas para el final del período 2010 son de un aumento de la contribución energética a partir de biomasa de 6.000.000 tep, repartidos entre biomasa residual y cultivos energéticos, y que en el ámbito de la aplicación se distribuirán en 900.000 tep para aplicaciones térmicas y 5.100.000 tep para aplicaciones eléctricas. A continuación, se recoge la distribución de este objetivo tanto en lo que se refiere al origen de la biomasa utilizada, como a su aplicación energética, teniendo en cuenta en el primer caso superficies afectadas y rendimientos en producciones y energía. En el caso de distribución uniforme esta ocupación sobre todos los tipos de terrenos de cultivo la superficie cubierta por cultivos energéticos sería de 814.190 ha, aproximadamente un 15 % del total de cada tipo de terreno con la distribución que se muestra a continuación (tabla 1.22): TABLA 1.22 Hipótesis 1 de producción de biomasa en España en 2010, según IDAE (2000)

Superficie PAC (ha) Producción de tep/ha Hipótesis superficie (ha) Hipótesis producción (tep)

Secanos semiáridos

Secanos húmedos

Secanos de alto potencial

Regadíos con cereal

Total

3.100.000 3,3 434.000 1.432.200

1.800.000 4,0 252.000 1.008.000

400.000 5,3 56.189 297.800

500.000 8,5 72.000 612.000

5.800.000 — 814.189 3.350.000

TABLA 1.23 Hipótesis 2 de producción de biomasa en España en 2010, según IDAE (2000) Hipótesis 2

Superficie PAC (ha) Producción de tep/ha Hipótesis superficie (ha) Hipótesis producción (tep)

Secanos semiáridos

Secanos húmedos

3.100.000 3,3 1.000.000 3.350.000

1.800.000 4,0 0 0

Secanos de alto potencial

Regadíos con cereal

Total

400.000 5,3 0 0

500.000 8,5 0 0

5.800.000 — 1.000.000 3.350.000

En una segunda hipótesis se considera una superficie ocupada de 1.000.000 ha, todas de secanos semiáridos por ser el caso que mayor margen deja al agricultor proporcionalmente. La distribución por Comunidades Autónomas de estos objetivos energéticos, de forma orientativa y atendiendo a la disponibilidad de recursos, se recoge en la tabla 1.24, donde destacan por su aportación las dos Castillas, Andalucía y Aragón. Para el período 1999-2006, se prevé un aumento de la contribución energética con biomasa de 2.899.214 tep, entre biomasa residual y cultivos energéticos. Por aplicaciones, éstos se distribuirán en 453.247 tep para aplicaciones térmicas y 2.445.969 tep para aplicaciones eléctricas. La distribución de estas previsiones se recoge en la tabla 1.25. Compárese esta tabla con la tabla 1.19 (referida al año 1997) y se apreciará la importancia que puede tener la energía de la biomasa como sector energético en España.

68

Los biocombustibles

TABLA 1.24 Distribución orientativa, por Comunidades Autónomas, de la producción de biomasa prevista según el Plan de Fomento de las Energías Renovables español, para el año 2010. IDAE (2000) Comunidad Autónoma

Andalucía Aragón Asturias Baleares Canarias Cantabria Castilla-León Castilla-La Mancha Cataluña Extremadura Galicia Madrid Murcia Navarra La Rioja Valencia País Vasco TOTAL

Residuos Residuos de industrias agrícolas forestales herbáceos y agrícolas

Residuos forestales leñosos

Residuos agrícolas

463.727 534.355 0 0 0 0 945.549 785.574 89.504 266.056 0 69.966 100.750 94.520 0 0 0

40.753 32.128 11.218 0 0 8.461 120.464 37.075 30.255 44.016 72.234 4.257 9.544 6.324 4.080 17.971 11.218

92.993 29.607 861 4.615 1.052 0 7.964 50.727 45.032 22.586 2.175 2.583 23.134 4.020 10.915 50.606 1.129

197.877 125.445 374 3.755 347 314 491.365 203.973 103.949 65.304 31.129 17.351 2.654 56.826 16.780 16.730 15.818

141.506 15.427 9.736 5.915 7.246 3.202 28.242 36.495 56.228 16.531 66.130 13.542 8.633 7.958 3.203 45.211 34.795

936.855 736.962 22.189 14.285 8.645 11.967 1.593.585 1.113.845 324.968 414.492 171.668 107.700 144.715 169.647 34.987 130.519 62.960

3.350.000

450.000

350.000

1.350.000

500.000

6.000.000

Cultivos energéticos

Total

TABLA 1.25 Producción prevista orientativa en 2010 según origen de la la biomasa. IDAE (2000) Producción

Tep

Residuos forestales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Residuos agrícolas leñosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Residuos agrícolas herbáceos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Residuos industrias forestales y agrícolas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cultivos energéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

219.560 170.780 658.680 241.554 1.608.640

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.899.214

TABLA 1.26 Aplicación de la biomasa prevista en 2010, desglosada en usos. IDAE (2000). Hipótesis conservadora. Aplicación

Tep

Aplicaciones térmicas en uso doméstico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones térmicas en usos industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23.997 429.250 2.445.969

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.899.214

Esta hipótesis supone 2,899 millones de tep, bastante menor que la llamada por nosotros «hipótesis expansiva», que suponía 6,0 millones de tep.

Presente y futuro de los biocombustibles

69

Bibliografía ASINEL. (1992): La biomasa y sus aplicaciones energéticas, ASINEL, Madrid. Bonfill, J. (1985): Estudio de viabilidad del aprovechamiento de residuos forestales como fuente energética. Asoc. de Forestalistas del País Vasco. Bilbao. Buatas Costa, E. (1982): Utilización de madera como combustible industrial. Generalitat de Catalunya. Barcelona. Carré, J.; Hébert, L. y otros. (1992): Relation Betxeen Biomass Characteristics and energy systems. 7 Conferencie Feisap. Manila. CIEMAT-Junta de Castilla y León. (1989): La biomasa como fuente de energía y productos para la agricultura y la industria, CIEMAT, Madrid. Elena, M. et al. (1987): El carbón de encina y la dehesa. Inst. Nac. de Investigaciones Agrarias. Madrid. Elvira Martín, L.M. (1982): Comportamiento al fuego de materiales y estructuras. INIA. Grassi, G. et al. (1992): Biomass for energy, industry and environment. 6th EC Conference, Elsevier Applied Science, Amsterdam. Hernando Pertierra, A.; Marcos, F. y Villegas, S. (1986) Utilización del alpechín como combustible. Conf. Int. de Plan. y Ah. Energ. Zaragoza. IDAE. (1992): Manual de incineración de residuos sólidos urbanos. IDAE, Madrid. IDAE. (1998): Energías renovables en España-97. IDAE, Madrid. IDAE, Ministerio de Ciencia y Tecnología. (2000): Plan de Fomento de las Energías Renovables en España. IDAE, Ministerio de Ciencia y Tecnología. Madrid. Jiménez Gómez. (1991): Los residuos de origen vital. Real Academia de Farmacia. Madrid. Kollmann, F. (1959): Tecnología de la madera y sus aplicaciones. Ministerio de Agricultura Instituto Forestal de Investigaciones y experiencias, Madrid. MAPA (Varios años): Anuales de Estadística Agraria. Marcos Martín, F. (1986): Consideraciones en torno al poder calorífico de las especies forestales españolas. V Conf. sobre Planificación, Ahorro y Alternativas Energéticas. Zaragoza 1618, X. Feria Oficial y Nacional de Muestras. Universidad de Zaragoza. Marcos Martín, F. (1989): El carbón vegetal, propiedades y obtención. Mundi-Prensa, Madrid. Marcos Martín F. (2001): Biocombustibles sólidos de origen forestal. AENOR. Madrid. Marcos Martín, F. y Saiz de Omeñaca. (1997): Incineración de biomasa. Ed. Fernando Martín Asín. Madrid. Saiz de Bustamante, A. (1981): Opciones energéticas I. Univ. Internacional Menéndez Pelayo. Santander. Saiz de Omeñaca. (1997): «Aspectos ambientales en la incineración de residuos». En Incineración de biomasa. Ed. Fernando Martín Asín. Madrid. Virkola. (1976): Development and Trends in Industrial Utilization of Fuller Forest biomass in Traditional Wood Industry. Hyvinkää.

2 Paja y otros biocombustibles sólidos agrícolas

Francisco Marcos Martín

ÍNDICE 0. Introducción y conceptos previos. 1.

Aprovechamiento energético de la paja de cereal. 1.1. Desarrollo histórico. 1.2. Propiedades físicas de la paja de cereales. 1.3. Propiedades químicas de la paja de cereal. 1.4. El movimiento de la paja de cereal.

2.

Cultivos energéticos de cardo. 2.1. Características del cultivo del cardo (Cynara cardunculus L.) en España. 2.2. Requerimientos de clima y suelo. 2.3. Condiciones de cultivo. 2.4. Rendimiento de la biomasa de cardo. 2.5. Aplicación de la biomasa de cardo para la producción de carlor y/o electricidad. 2.6. Rentabilidad del cultivo de cardo para la producción de electricidad. 2.7. Potencial del cultivo de cardo en España.

2.

2. 2.

Bibliografía.

0. Introducción y conceptos previos Son varios los cultivos energéticos o aprovechamiento de residuos energéticos que se presentan en España a partir de especies agrícolas. En este capítulo nos referiremos únicamente a los que producen biocombustibles sólidos aptos para ser quemados y generar calor y/o energía eléctrica. Entre las especies aptas para cultivos de biocombustibles sólidos destacan el cardo, el sorgo y el miscanthus (en el centro Europa). Entre los residuos, el más importante es la paja de cereal y los residuos leñosos que, en este libro, equipararemos a los residuos leñosos forestales. Al referirnos a los cultivos energéticos hemos de señalar que según J. Fernández (1996) «del total de la biomasa producida por la cosecha, solamente se puede recoger una parte (biomasa recolectable), de la que en general, sólo se utiliza una parte (biomasa útil o de valor comercial), quedando el resto como biomasa residual. Según el objetivo que se pretenda en la realización del balance, al evaluar los outputs energéticos generados por los cultivos, habrá que tener en cuenta el tipo de biomasa adecuado».

1. Aprovechamiento energético de la paja de cereal 1.1. Desarrollo histórico La paja ha sido junto con la leña y el carbón vegetal el biocombustible sólido por excelencia. En ecosistemas tan ricos y variados como la dehesa la energía se obtenía carboneando la leña, utilizando la leña directamente y quemando la paja del cereal que crece bajo la encina, alcornoque o fresno. La paja se ha empleado para calentar las viviendas en las llamadas «glorias» que se encendían con paja y también, y sobre todo, se ha utilizado para las chimeneas. En las casas castellanas la paja se dejaba secar al aire, se guardaba en pajares y luego se quemaba en las chimeneas. El calor desprendido servía para calentar la casa, la comida y agua caliente sanitaria. Era un modelo energético de gran arraigo y productividad donde paja, leña y carbón vegetal o cisco eran las fuentes de energía clásicas. La segunda parte está tomada de una publicación de Jesús Fernández González.

74

Los biocombustibles

Actualmente se contempla el uso de la paja en centrales térmicas, para generar energía eléctrica y calor empleado para producir agua caliente empleada en la calefacción o en la producción de agua caliente sanitaria. Estos usos han encontrado siempre el problema de la estacionalidad ya que durante años lluviosos se produce mucha paja mientras que en años secos baja la producción y es difícil establecer la cantidad de paja disponible y el precio al que está disponible. Las tecnologías son cada vez más modernas tanto en los sistemas de recogida y transporte como en los sistemas de combustión. Por ejemplo, en Dinamarca se queman actualmente 1.200.000 t/año para producir electricidad, frente a las 200.000 t/año de astillas de madera (Itóiz, 2000). La central danesa de Rudkobing tenía una potencia de 2,3 MW hace diez años; poco a poco la potencia se ha ido aumentando en todo el mundo hasta llegar a la planta inglesa de Ely (en construcción actualmente) con una potencia instalada de 36 MW. En la siguiente tabla 2.1 (Itóiz, 2000) se recoge la evolución de algunas centrales térmicas de paja (en algunos casos queman también astillas de madera y/o carbón; están situadas en Dinamarca, Inglaterra y España: TABLA 2.1 Central térmica

Haslev . . . . . . . . . . . . . . . . . . Slagelse . . . . . . . . . . . . . . . . . Masnedo . . . . . . . . . . . . . . . . Rudkobing . . . . . . . . . . . . . . . Grenaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mabjerg . . . . . . . . . . . . . . . . . Studstrup . . . . . . . . . . . . . . . . Ensted . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maribo . . . . . . . . . . . . . . . . . . ELY (Inglaterra) . . . . . . . . . . . Sangüesa (España) . . . . . . . .

Año funcionamiento

Potencia MWe

Consumo de paja t/año

1989 1990 1995 1990 1992 1993 1995 1997 1999 2000 2002

5 8 9,5 2,3 8,5 (17) 5,6 (30) 30 (150) 20 10 36 25

28.000 31.000 62.000 14.000 70.000 40.000 50.000 120.000 80.000 250.000 160.000

1.2. Propiedades físicas de la paja de cereales En la tabla 2.2 señalamos las propiedades energéticas de la paja de cereales. 1.2.1. Forma y tamaño La forma de la paja es cilíndrica, alargada, siendo el diámetro pequeño en comparación con la longitud. Cuando se recoge se compacta o empaca en pacas de forma cilíndrica o prismática. El tamaño del prisma es tal que pueda ser manipulado bien tanto en la fase de recogida como en la fase de movimiento en central térmica. 1.2.2 Aspecto La paja de cereales tiene un color amarillento típico que se degrada a colores más blanquecinos con el tiempo. El color amarillento es debido a la existencia de azufre, calcio, cloro, potasio y silicio. Si es más rojiza es porque tiene hierro.

Paja y otros biocombustibles sólidos agrícolas

75

1.2.3. Densidad Uno de los inconvenientes del empleo de la paja de cereal como combustible es su baja densidad por lo que se precisa su compactado en campo, cuando se cosecha. Así se consigue abaratar el transporte hasta el pajar y de éste a la central térmica. También se consigue abaratar los costes de movimiento de la paja en la central. 1.2.4. Humedad La humedad de la paja es baja si se deja secar en el campo, esto se consigue bien si se realiza su recogida en los meses de verano. Cuando es paja de maíz, que se recoge en otoño-invierno la humedad es mayor por lo que es preciso su secado. Debido a la forma de la paja ésta se seca fácilmente cuando está en el campo, siendo muy costoso su secado una vez empacada. TABLA 2.2 Principales propiedades energéticas de la paja de cereales

Físicas

1. 2. 3. 4. 5.

Forma y tamaño. Aspecto. Densidad. Humedad. Superficie específica.

Químicas

1. Composición química elemental. 2. Composición química por compuestos. 3. Poder calorífico y energía del estéreo.

Físico-químicas

1. 2. 3. 4. 5.

Coeficiente de conductividad térmica. Combustibilidad. Temperaturas y tiempos de combustión. Inflamabilidad: Temperatura máxima de llama. Potencia calorífica. Índices de calidad energética.

1.2.5. Superficie específica La paja empacada tiene pequeña superficie específica por lo que seca mal y se transporta bien. Ha de buscarse un equilibrio y, por tanto, secar la paja suelta antes de empacarla, como hemos señalado. 1.3. Propiedades químicas de la paja de cereal 1.3.1. Composición química elemental y por compuestos La composición química de la paja es variable y depende del cereal del que estemos hablando, las características químicas del suelo y de los fertilizantes empleados. Además, la pluviometría anual, distribuida irregularmente, favorece unas reacciones químicas frente a otras provocando alteraciones en la composición química de la paja.

76

Los biocombustibles

La paja es un material lignocelulósico pero que además contiene otros elementos químicos entre los que destacan el azufre (en la combustión produce óxidos de azufre muy corrosivos), calcio, cloro (productor de gases muy ácidos), potasio (productor de cenizas que sinterizan y funden) y silicio (productor de cenizas fusibles). El cloro, combinado con los elementos alcalinos y en medio del agua que desprende al quemarse la paja provoca problemas de corrosión atacando los tubos de escape de gases o los intercambiadores de calor. Además, las cenizas fusibles sintetizan provocando ataques en las parrillas y paredes de las calderas. Por estos motivos la combustión de paja en lechos fluidos no es sencilla y han de evaluarse con detalle las temperaturas de combustión, la proporción (aire de combustión)/(paja que se quema) y el gradiente de temperaturas. Como ocurre con todos los biocombustibles su combustión es sumamente compleja y este problema se complica con la paja en comparación con las astillas de madera, ya que éstas, como veremos en el capítulo siguiente apenas disponen de otros elementos distintos de C,H,O. Sin embargo, el alto contenido en potasio de las cenizas es una ventaja pues pueden ser empleados como fertizantes. Estas cenizas se recogen bien en el cenicero, bien en los filtros de mangas empleados en la limpieza de los gases de escape de la combustión. 1.3.2. Poder calorífico El poder calorífico de la paja depende de su composición química que a su vez es función de la especie, tipo de suelo, fertilizantes empleados y, sobre todo, de la humedad. Una fórmula, aproximada, utilizada para la madera que es otro producto lignocelulósico, para evaluar el poder calorífico de la paja de cereal es: PCIH = (PCS0 – A (A + 9 · hi)) / (1 + H) donde: PCS0 es el poder calorífico superior anhidro, en kcal/kg. PCI es el poder calorífico inferior, en kcal/kg. H es la humedad en base seca. A es un coeficiente que va desde 580 kcal/kg hasta 665 kcal/kg. hi es el tanto por uno de hidrógeno (en materia seca). 1.4. El movimiento de la paja de cereal La paja de cereal presenta problemas debidos a su estacionalidad y baja densidad. Los problemas de estacionalidad se pueden evitar obligando a los agricultores o a los comerciantes de paja con contratos a medio y largo plazo. Si el año es muy seco ha de pensarse y admitirse que el agricultor entregue otro biocombustible en lugar de la paja. El tema de la compactación de la paja está resuelto. Como ejemplo, citando el caso de la central de Sangüesa, promovida por la Empresa Hidroeléctrica Navarra (EHN) podemos señalar que EHN ha optado por dos estrategias paralelas de contratación (Itóiz, 2000): 1.ª Contratos de cesión de la paja en campo. El equipo básico de recogida está formado por cuatro personas manejando un rastrillo, dos empacadoras, un

Paja y otros biocombustibles sólidos agrícolas

77

vagón autocargador y cuatro tractores. Se espera que cada equipo recoja 6.000 t de paja en la campaña de verano (trigo, cebada, avena) y 4.000 en la de invierno (maíz). 2.ª Contratos de suministro de paja, ya empacada, a pie de pajar de almacenamiento. Estos pajares (entre 300 a 500) tendrán un capacidad de 300 a 500 t. «EHN ha elegido un sistema descentralizado de almacenamiento, utilizando pequeñas unidades distribuidas a lo largo de todo el área de suministro. La descarga en la planta es automática, por lo que se ha normalizado un tipo de camión para el transporte de la paja, adecuado al diseño de los puentes grúa de la nave de almacenamiento. Este tipo de camiones se compone de una cabeza tractora con su semiremolque y un remolque adicional. El semiremolque y el remolque deben estar a la misma altura y poseer la misma longitud. Las pacas de paja se cargan en sentido longitudinal. Un camión transporta de 15 a 16 t de paja. Obviamente este tipo de camiones no existe en el mercado local de transporte por lo que ha sido necesario promover una empresa de transporte dedicada a la planta de biomasa y adquirir los vehículos. Esto obliga a que el punto de venta de la paja en los contratos de «suministro» sea el punto de almacenamiento en lugar de la planta. Teniendo en cuenta el consumo de la planta (su potencia instalada es de 25 MWe y consume 160.000 t/año, funcionando 8.000 horas/año), cada día, de lunes a viernes, deberán entrar en la planta del orden de 40 camiones.» (Itóiz, 2000).

2. Cultivos energéticos de cardo 2.1. Características del cultivo del cardo (Cynara cardunculus L.) en España Este epígrafe recoge los datos de una de las últimas publicaciones del pionero de los estudios de la biomasa en España: el catedrático de Botánica Agrícola de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos de Madrid, D. Jesús Fernández González (Madrid, 2000). «Entre los posibles cultivos para la producción de la biomasa lignocelulósica en las tierras cerealistas de secano que van quedando retiradas de la producción agrícola en aplicación de la Política Agraria Comunitaria (PAC) destaca el cardo (Cynara cardunculus L.), ya que tiene unas excelentes condiciones de producción y adaptación a la gran mayoría de los secanos españoles.» «El cardo es una especie próxima a la alcachofa (Cynara scolymus L.) perteneciente a la familia de las Compuestas lo mismo que el cártamo o el girasol. Es una especie herbácea vivaz (perenne), con un ciclo anual de producción de biomasa aérea, muy bien adaptada a las condiciones de clima mediterráneo de veranos secos y calurosos. En años con pluviometría adecuada (del orden de 500 mm), cuando el cultivo está bien establecido, puede llegar a dar producciones totales de biomasa, en condiciones de secano, de 15 a 20 t de materia seca (m.s.) por ha y año...» Es decir, de tres a cinco veces lo que producen los cultivos de cereales de secano plantados en la actualidad en la Meseta castellena, como son el trigo, la cebada, la avena, el centeno…

78

Los biocombustibles

Según el autor citado: «El cardo consigue estas producciones gracias a las siguientes características ecofisiológicas: — Temprano recubrimiento de toda la superficie de cultivo desde principios de otoño, debido al desarrollo rápido de la roseta de hojas basales, que se realiza inicialmente a expensas de las reservas acumuladas en las raíces. La cobertura total del terreno» (lo que los forestales conocemos como fracción de cabida cubierta) «contribuye a una mayor captación de la radiación solar y a eliminar la competencia de malas hierbas.» — Período de producción y, por tanto, aprovechamiento de la radiación solar: de octubre a julio, es decir, nueve a diez meses. Está adaptado a realizar la fotosíntesis con bajas temperaturas durante la época invernal. — «Sistema radicular muy profundo que le permite utilizar las aguas de lluvia infiltradas en el subsuelo durante el otoño, invierno y primavera y los abonos lixiviados de los cultivos agrícolas anteriores. — Ciclo de desarrollo adaptado para evitar la sequía estival secándose la parte aérea en verano y manteniendo frescas las raíces con abundantes sustancias de reserva. En el ciclo natural del cardo, la semilla que se ha producido y diseminado durante el verano, germina en otoño, cuando las condiciones de humedad y temperatura son favorables formando una roseta basal de hojas que va desarrollándose durante el resto del otoño, el invierno y la primavera. Durante este tiempo la raíz va acumulando los azúcares que han ido produciendo las hojas. A mediados o finales de la primavera, del centro de la planta sale un tallo de alrededor de un metro de altura, con uno o varios capítulos, que se seca al final del verano, permaneciendo vivas las raíces y las yemas remanentes de la base del tallo. Al final del verano o a principios de otoño, varias de las yemas de recambio (de dos a cuatro normalmente) que habían quedado en la base del tallo, brotan con fuerza a expensas de los azúcares que contiene la médula de la raíz dando una nueva roseta de hojas que se desarrolla durante el otoño, invierno y primavera siguiente, acumulándose los azúcares formados en la raíz, que sigue engrosando. Al final de primavera se forma un nuevo tallo floral, que se desarrolla rápidamente a expensas de las reservas acumuladas en la raíz. En el verano, tras la madurez de los frutos, la planta empieza a desecarse hasta quedar completamente seca la parte aérea, pero la raíz y las yemas remanentes de la base del tallo permanecen vivas. El ciclo se vuelve a iniciar en el otoño siguiente, pudiendo repetirse durante un número indeterminado de años.» 2.2. Requerimientos de clima y suelo Siguiendo la publicación citada: «Clima. En estado de plántula es bastante sensible a las heladas, aumentando considerablemente la resistencia al frío cuando ha desarrollado varias hojas y se encuentra en estado de roseta. Por este motivo, cuando existan riesgos de que se produzcan heladas, hay que procurar sembrar de dos a tres meses antes de su llegada (dependiendo de la velocidad de desarrollo de las plántulas). Una vez que consigue tener una roseta con al menos cuatro hojas, las plantas pueden aguantar temperaturas por debajo de los –5 ºC. Para que las plantas tengan un buen desarro-

Paja y otros biocombustibles sólidos agrícolas

79

llo, la pluviometría durante los meses de otoño, invierno y primavera debe ser igual o superior a los 450 mm. Con menos pluviometría las producciones bajan considerablemente. La pluviometría más efectiva es la de primavera. Suelo. Esta especie requiere suelos ligeros y profundos, de naturaleza caliza y con capacidad de retener el agua de otoño, invierno y primavera en la zona del subsuelo (1-5 metros). Tolera mal el encharcamiento. Aunque la pedregosidad del terreno no afecta al desarrrollo de las plantas, desde un punto de vista práctico, para facilitar la labor de siega, son preferibles terrenos poco pedregosos.» 2.3. Condiciones de cultivo 2.3.1. Implantación del cultivo El autor citado presenta dos posibles épocas de siembra para el cardo: Otoño y primavera. «Siembra de otoño. Se debe realizar tan pronto como las condiciones de tempero de la tierra lo permitan, al objeto de que forme la roseta de hojas antes de que lleguen los fríos invernales. Para prever el caso de que las lluvias de otoño puedan retrasarse, es preferible sembrar en seco en el mes de septiembre o principios de octubre, debiendo tener preparado el terreno previamente. Durante el primer año de desarrollo la producción es baja, pero a partir del segundo año y sucesivos las producciones ya son normales, dependiendo en gran manera de las condiciones climáticas. Siembra de primavera. Se recomienda para las zonas en que las primeras heladas otoñales sean muy tempranas. En este caso conviene realizar la siembra tan pronto como haya desaparecido el riesgo de heladas. Las plantas utilizan el agua de primavera para nacer y desarrollarse inicialmente, llegando al verano en estado de roseta. Si el verano es cálido y seco, pueden perder algunas de las hojas por desecación, pero en general, las plantas siguen vivas. En otoño, con las primeras lluvias, las plantas continúan el desarrollo vegetativo aumentando el tamaño de las hojas de la roseta llegando a completar el ciclo en el verano siguiente. En el otoño siguiente las plantas rebrotan y continúan el ciclo de desarrollo normal que se repite durante los años sucesivos. 2.3.2. Operaciones en la instalación y mantenimiento del cultivo (Fernández, curso de biomasa de Soria, sin publicar y publicación citada) Las operaciones en la instalación del cultivo se recogen en la tabla 2.3. Las operaciones en el mantenimiento del cultivo son las que aparecen en la tabla 2.4. 2.4.

Rendimiento de la biomasa de cardo

«La producción de biomasa aérea por el cultivo de cardo depende en gran manera de la disponibilidad de agua en el suelo por la planta en la época del crecimiento activo, es decir en la primavera y de la fertilización adecuada del cultivo. En experiencias realizadas sobre la producción de biomasa de cardo en condiciones de secano en

80

Los biocombustibles TABLA 2.3

Operación: Abandono de fondo. Subsolado (en su caso). Alzar. Pases de grado cutivador. Desinfección del suelo si fuera preciso (atención a la posible presencia de «rosquillas» o gusanos grises). Siembra. Tratamiento herbicida. Tratamientos fitosanitarios. Cosecha y transporte de la biomasa a la planta industrial. TABLA 2.4 Operación: Abandono de restitución. Tratamientos fitosanitarios. Cosecha y transporte de la biomasa a la planta industrial.

diversos países del área mediterránea (en el marco de un proyecto de investigación coordinado por la Universidad Politécnica de Madrid y financiado por la Unión Europea), se pudo comprobar que existe una fuerte correlación entre la pluviometría del año agrícola (de septiembre a agosto del año siguiente) y la producción global de biomasa de cardo, siendo especialmente incidente la cantidad de agua de lluvia caída en primavera. En la tabla 2.5 se señala la productividad de biomasa de cardo (Cynara cardunculus L.) en diversas localidades europeas durante dos campañas. Los valores de producciones están expresados en materia seca. (Fernández J., 2000). TABLA 2.5 Campaña 1994-1995

Campaña 1995-96

Localización de los cultivos

Lluvia (**)

Media t/ha

Máxima t/ha

Lluvia (**)

Madrid (España) . . . . . . . Tolousse (Francia)* . . . . . Tebas (Grecia) . . . . . . . . . Forly (Italia) . . . . . . . . . . . Cerdeña (Italia)* . . . . . . . Policoro (Italia) . . . . . . . . . Sicilia (Italia) . . . . . . . . . . Lisboa (Portugal)* . . . . . .

280 — 490 752 324 316 387 373

6,5 — 28,6 17,5 2,7* 7,5 15,9 11,7

8,6 — 35,7 22,9 4,7 8,2 — 14,3

529 878 324 837 594 722 654 740

16,3 4,5* 27,9 19,7 8,6* 12,9 12,3 13,7

23,1 4,9* 33,4 24,6 12,4* 15,6 — 17,4

Media global . . . . . . . . . .

373

11,7

14,3

740

13,7

17,4

Media representativa . . .

445

15,2

18,9

646

18,0

24,2

Media t/ha

Máxima t/ha

* Resultados poco representativos por diversas causas. ** Pluviometría de agosto a julio del año siguiente.

«También se pudo observar que después de un año de baja productividad por efecto de la sequía, el desarrollo del cultivo al año siguiente queda algo resentido, aun-

Paja y otros biocombustibles sólidos agrícolas

81

que se produzca una pluviometría adecuada, recuperándose completamente el cultivo al año siguiente. En estas experiencias, para pluviometrías superiores a los 450 mm se obtuvieron productividades medias alrededor de las 16,5 toneladas de materia seca/ha, equivalentes a 19,4 t/ha de biomasa con el 15% de humedad, aunque para pluviometrías anuales inferiores a 300 mm, el rendimiento bajó considerablemente obteniéndose productividades del orden de las 6,5 t de m.s/ha año.» «Desde un punto de vista práctico, como valor medio de productividad, para una pluviometría del orden de los 450 mm, distribuida según la norma de la climatología de la Meseta Central, se puede pensar en un rendimiento medio de biomasa cosechable de unas 17 t/ha.año expresadas con una humedad media del 15%, lo que representa en materia seca 14,5 t/ha año. La distribución media de esta biomasa entre los diferentes órganos varía de unas plantas a otras en función de su desarrollo. En las plantas menos desarrolladas predomina la fracción correspondiente a las hojas basales y los capítulos, mientras que en las plantas mejor desarrolladas son los capítulos y los tallos y ramas las fracciones que representan el mayor porcentaje del peso de la planta. En la tabla 2.6 se indica la proporción media de las principales fracciones de la biomasa cosechada en función de la producción de cultivo (referida en t/ha) según datos obtenidos en diversas parcelas experimentales de la Universidad Politécnica de Madrid. TABLA 2.6 Tipo de producción Tipo de biomasa

Hojas basales (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hojas del tallo (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tallos y ramas (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulos (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Producción media (t/ha): Biomasa seca . . Biomasa 15% humedad . . . . . . . . . . . . . .

Baja

Media

Alta

Valor medio

48,8 6,2 9,9 35,1 5,1 6.0

36,1 12,0 18,3 33,6 10,2 12,0

21,4 20,7 27,8 30,1 18,7 22,0

35,4 13,0 18,7 32,9 11,3 13,3

Los componentes principales de un capítulo bien desarrollado (receptáculo, brácteas, vilanos y frutos), pueden representar diferentes proporciones respecto al peso total del capítulo, el cual puede variar entre los 10 g en capítulos poco desarrollados hasta más de 40 g en los que tienen un buen desarrollo. Como valor medio se puede decir que el receptáculo o base del capítulo representa el 21%, las hojas espinosas que bordean el capítulo denominadas brácteas, el 29%, el conjunto de los vilanos (también denominados «pappi»), constituidos por fibras de alta calidad celulósica, representan alrededor del 20% y los frutos (denominados comúnmente semillas) un 30%. 2.5. Aplicación de la biomasa de cardo para la producción de calor y/o electricidad En este epígrafe realizaremos ligeros comentarios a la exposición de Jesús Fernández. Los párrafos sin entrecomillar son de Francisco Marcos.

82

Los biocombustibles

«La biomasa de cardo se compone de una serie de fracciones de distinta naturaleza», como hemos estudiado en el epígrafe anterior, cada una de ellas con un poder calorífico distinto. Suponemos que 1 th = 1 termia = 1.000 kcal, el poder calorífico superior (PCS) anhidro de la biomasa de cardo es de 4.000 kcal/kg = 4 th/kg, el PCS al 15% de humedad es 3,4 th/kg; el poder calorífico inferior (PCI) a una humedad del 15% sería de 3,076 th/kg. «Si se compara el PCS de la biomasa seca del cardo con el correspondiente del petróleo (10 th/kg) o el de un carbón (antracita) 7 th/kg, se puede establecer que 1 t de biomasa seca de cardo tiene el mismo contenido calórico (PCS) que 400 kg de petróleo o 571 kg de antracita.» «La materia orgánica (biomasa), que ha producido la parte aérea del cardo al finalizar el ciclo anual de desarrollo (a mediados de verano) y una vez que se haya secado puede ser utilizada como combustible sólido para la producción de calor y/o electricidad. La forma más tradicional de obtención de electricidad por procesos termoeléctricos es mediante un alternador acoplado a una turbina que utiliza el vapor generado por una caldera. El rendimiento termoeléctrico para este tipo de instalaciones puede variar entre el 22% y el 33%. Tanto el calor sobrante como parte del vapor producido, pueden utilizarse con fines térmicos en los denominados procesos de «cogeneración». De este tema nos ocuparemos con más detalle en el epígrafe referido a la generación de energía eléctrica con biocombustibles. «La utilización de biomasa producida con cultivos energéticos para generación de calor y/o electricidad, en sustitución de los combustibles fósiles tradicionales, presenta indudables ventajas de índole económico, estratégico, social y medioambiental. Aparte de las ventajas propias de utilizar un combustible totalmente nacional, al poderse utilizar las tierras retiradas de la producción de alimentos, promueve la generación de empleo y mantiene la actividad agrícola en el medio rural, por lo que contribuye a frenar su despoblación. Por otra parte, la sustitución de barbechos por cultivos permanentes, como sería el caso del cardo, produciría una protección del suelo contra la erosión y un enriquecimiento paulatino de éste, en materia orgánica, ya que todo el sistema radicular y parte de las hojas basales permanecerían en el terreno de un año para otro. Además, en el aspecto medioambiental, ofrece indudables ventajas en comparación con la utilización de combustibles fósiles por el bajo nivel de polución atmosférico que produce, no solamente por ser neutro en cuanto a la producción de CO2 (no contribuye al incremento del «efecto invernadero» ya que el carbono liberado a la atmósfera en la combustión ha tenido que ser previamente fijado en ésta por fotosíntesis), sino por el bajísimo contenido en azufre de la biomasa, lo que evita la generación de las nocivas lluvias ácidas». 2.6. Rentabilidad del cultivo de cardo para la producción de electricidad «Según los datos facilitados por CECSA, la empresa de la planta termoeléctrica que utilizará biomasa de cardo en la provincia de Burgos, el coste límite al que podría pagar el combustible puesto en la central, sería de 1,47 pta/th, lo que equivaldría a 4,5 pta/kg de biomasa con un 15% de humedad. Teniendo en cuenta los precios actuales de las labores agrícolas y la posibilidad de utilizar fertilizantes orgánicos de bajo

Paja y otros biocombustibles sólidos agrícolas

83

coste, se puede establecer un beneficio bruto para la biomasa de cardo puesta en la central termoeléctrica del orden de 1 pta/kg de biomasa, por lo que el beneficio bruto por hectárea que podría obtener el agricultor, en función de la producción del cultivo, podría estar entre las 15.000 y las 25.000 pta/ha (producciones entre 15 y 25 t/ha), considerando zonas de cereales de secano de índice de producción entre 2 y 3 t/ha. A este beneficio habría que añadir la subvención de la Política Agraria Comunitaria (PAC) si el cultivo se realiza en tierras de retirada, supuesto que está autorizado en el Reglamento correspondiente por tratarse de un cultivo herbáceo destinado a usos energéticos. En este caso al beneficio anterior hay que añadirle el ahorro que supone el no tener que realizar las labores anuales necesarias para mantener el barbecho limpio de malas hierbas (alzado y un par de pases anuales de cultivador o grada), estimados en unas 11.000 pta/ha.» 2.7. Potencial del cultivo de cardo en España «En este apartado se presentan los datos obtenidos en un estudio realizado para el IDAE para estimar el potencial de los cultivos energéticos en las distintas Comunidades Autónomas. El estudio se ha realizado con los datos estadísticos sobre las superficies geográficas dedicadas a la producción de cultivos herbáceos de secano. Como cultivo energético de secano se ha considerado el cardo (Cynara cardunculus L.). El trabajo se ha realizado en base al concepto de Unidades de Producción de Biomasa (UPB), definidas según las siguientes premisas: a) Superficies geográficas de un radio máximo de 30 km. b) Aprovechamiento para la producción de cardos del 10% de la superficie agrícola dedicada a cultivos de secano, dentro de la superficie geográfica definida en el apartado anterior. c) Producción de biomasa de cardo en la superficie definida en el apartado anterior con un contenido energético mínimo de 20.000 toneladas equivalentes de petróleo (1 tep = 10 millones de kcal) referido al poder calorífico inferior de la biomasa de cardo producida. Esta energía sería la que se necesitaría para hacer funcionar una central de 8 MW durante un año, funcionando 7500 horas anuales, con un rendimiento medio de 25,8%». En capítulos posteriores veremos cómo se realizan estos cálculos. «Para efectuar la transformación de biomasa de cardo en unidades energéticas de PCI se ha supuesto que la biomasa de cardo se recoge a una humedad del 24% y con un PCI de 2680 kcal/kg. Con estas premisas, la producción necesaria de cardo para obtener las 20.000 tep sería de 74.627 t. d) Aprovechamiento adicional de los residuos agrícolas generados en el 50% de la superficie agrícola de cada UPB. La productividad estimada de la biomasa de cardo aplicable a cada provincia se recoge en la tabla 2.7 y se ha establecido en base a un modelo de producción basado en la pluviometría anual y los rendimientos de los cereales y del girasol. En la tabla 2.7 faltan los datos de Murcia y del País Vasco, que no lo referencia el autor. «Según los resultados del análisis realizado para todo el territorio peninsular en base al concepto de UPB, en la tabla siguiente se presenta un resumen de las superfi-

84

Los biocombustibles TABLA 2.7 Rendimiento provincial t (m s) (ha año)

Rendimiento medio por com. autónoma t (m s) (ha año)

Andalucía

Cádiz Córdoba Granada Huelva Jaén Málaga Sevilla

17,62 18,27 13,77 16,63 13,58 15,46 17,01

16,05

Aragón

Huesca Teruel Zaragoza

17,70 14,91 13,84

15,15

Castilla-La Mancha

Albacete Ciudad Real Cuenca Guadalajara Toledo

14,10 14,08 16,14 15,13 13,94

14,78

15,05 18,47 16,83 17,19

Castilla- León

Ávila Burgos León Palencia Salamanca Segovia Soria Valladolid Zamora

15,41 17,26 15,56 14,73

Cataluña

Barcelona Gerona Lérida

— 25,02 15,37

20,20

Extremadura

Badajoz Cáceres

15,02 15,49

15,26

La Rioja

La Rioja

17,77

17,77

Madrid

Madrid

15,00

15,00

Navarra

Navarra

22,02

22,02

15,22

16,93

Comunidad autónoma

Rendimiento medio

Provincia

15,00

cies agrícolas asociadas a las UPB en las diferentes Comunidades Autónomas consideradas, así como el número potencial de UPBs (942.353 ha). Según el criterio utilizado, las Comunidades de Asturias, Cantabria, Galicia y Comunidad Valenciana no dispondrían de UPB por no disponer de suficiente terreno agrícola de secano, en base a las premisas establecidas inicialmente.» «En general, el aprovechamiento de los residuos agrícolas para alimentar centrales eléctricas no tiene viabilidad debido principalmente a la inseguridad en la continuidad del suministro de combustible y a la aleatoriedad del precio. La existencia de una UPB con una central eléctrica alimentada por biomasa de los cultivos energéticos generados en el área de influencia de la UPB posibilitaría el aprovechamiento de una

Paja y otros biocombustibles sólidos agrícolas

85

parte de las biomasas residuales generadas en las superficies agrícolas dedicadas a la producción de cultivos tradicionales dentro de la misma UPB.» En el estudio referido supone que se podría aprovechar el 50% de las generadas en las referidas UPB. Como biomasas de apoyo podemos citar: residuos de industrias de la madera, paja de cereal, residuos de aprovechamientos forestales, otros residuos leñosos procedentes de la agricultura... TABLA 2.8 Coumunidad autónoma

Cantidad de UPBs

Superficie agrícola tradicional (SA)

Superficie de cultivos energéticos (SCE)

SCE/SA %

Andalucía . . . . . . . . . . Aragón . . . . . . . . . . . . Castilla-La Mancha . . . Castilla-León . . . . . . . . Cataluña . . . . . . . . . . . Euskadi . . . . . . . . . . . . Extremadura . . . . . . . . La Rioja . . . . . . . . . . . Madrid . . . . . . . . . . . . Murcia . . . . . . . . . . . . . Navarra . . . . . . . . . . . .

19 13 31 32 6 2 8 1 3 1 5

2.969.842 1.332.104 3.249.062 3.354.734 388.432 89.158 786.560 65.146 226.196 85.332 306.528

161.756 95.449 234.668 308.586 29.604 8.479 50.872 4.857 18.342 5.852 23.891

6,0 7,2 7,2 9,2 7,6 9,5 6,5 7,5 8,1 6,9 7,8

TOTAL . . . . . . . . . . .

121

12.580.094

942.353

7,5

«En el estudio realizado se ha podido constatar que el potencial global estimado para la energía de la biomasa producida en las UPBs consideradas en las diferentes Comunidades Autónomas sería de 8,927 Mtep, de los que 4,058 corresponderían a la producción de los cultivos de cardo y el resto (4,869 Mtep) a los residuos agrícolas potencialmente utilizables (el 50% de los generados en las UPB)». A esto debemos añadir nosotros la biomasa procedente de residuos madereros. « La Comunidad Autónoma con mayor potencial es Castilla y León con 35,5% del total, es decir, 32 UPBs, seguida de Castilla-La Mancha con el 19,5% y 31 UPBs, Andalucía con el 15,6% y 19 UPBs y Aragón con el 10,2% y 13 UPBs».

Bibliografía Fernández González, J. (1996): Balance energético de la producción de biomasa en La biomasa: fuente de energía y productos para la agricultura y la industria. Junta de Castilla y León. CIEMAT. Fernández González, J. (2000): Posibilidades de producción de biomasa en España mediante el cardo (Cynara cardunculus L.). Jornadas sobre la biomasa en España. Oportunidades de negocio y posibilidades de mercado. ALTENER. Ministerio de Ciencia y Tecnología. IDAE. Madrid. Itóiz, C. (2000): Planta de biomasa en Sangüesa de combustión de paja con una potencia total neta de 25 MW. Jornadas sobre la biomasa en España. Oportunidades de negocio y posibilidades de mercado. ALTENER. Ministerio de Ciencia y Tecnología. IDAE. Madrid.

3 Leñas y astillas

Francisco Marcos Martín

ÍNDICE 1. Concepto y desarrollo histórico. 1.1. Concepto de astilla. 2. Las especies para producir leñas y astillas. 2.1. Especies forestales para producir leñas y astillas. 3. Características de las leñas y astillas. 3.1. Características físicas. 3.2. Características químicas de las leñas y astillas. 3.3. Características físico-químicas de las leñas y astillas. 4.

Obtención de potencial energético procedente de las leñas de un monte. 4.1. Métodos de estimación de las leñas. 4.2. Medición por volumen. 4.3. Medición por peso. 4.4. Medición por estéreos.

5.

Tecnologías de obtención de leñas y astillas. 5.1. Fases de los aprovechamientos de leñas y astillas. 5.2. Máquinas rompedoras. 5.3. Máquinas astilladoras.

6. Plantas de astillado. 6.1. Necesidades de las plantas de astillado. 6.2. Localización óptima de la planta de astillado. 6.3. Empleo de los sistemas de información geográfica y otras herramientas informáticas. 7. Instalaciones y mercado de las leñas y astillas. 7.1. Instalaciones que emplean las leñas y astillas. 7.2. El mercado de las leñas y de las astillas. Bibliografía.

1. Concepto y desarrollo histórico La leña es la «parte de los árboles y arbustos que, hecha trozos, se destina a uso energético». Al ser una parte del árbol y arbusto, está compuesta sobre todo por madera y corteza; pero también puede contener en pequeñas cantidades hojas, flores y frutos que no se han separado del tronco o de las ramas. En inglés la leña se denomina «firewood», es decir, madera de fuego. En francés se emplea «bois de feu» (madera de fuego), aunque a veces en la bibliografía de temas energéticos emplean la palabra «bois» (madera) solamente, para distinguirlo del carbón vegetal al que llaman «charbon». La leña, energéticamente, se puede usar directamente, puede ser transformada en astillas o carbón vegetal y también, puede triturarse para que pudriéndose se incorpore al suelo aportando nutientes al mismo. (Véase gráfica 3.1). Las leñas han sido a lo largo de la historia el biocombustible más empleado por la humanidad. Desde el hombre de las cavernas hasta el hombre actual siguen siendo uno de los combustibles sólidos de mayor uso en el mundo. Han constituido una de las principales fuentes de energía del hombre, si no la principal. El hombre primitivo hizo fuego con residuos sólidos de tipo agro-forestal (pajas y leñas) y toda la revolución industrial pudo desarrollarse gracias al uso de leñas, carbón vegetal y carbón mineral. Incluso hoy día, millones de hombres en el mundo dependen energéticamente de las leñas, los residuos agro-ganaderos y del carbón vegetal. En 1985, alrededor de 2.000 millones de personas dependían de la leña como única fuente de energía, en este siglo este número aumentará a 3.000 millones. Los países en vías de desarrollo obtienen de la madera el 17% de la energía que necesitan. Sin embargo, los países más pobres obtienen el 70% de sus necesidades de la madera. En los países desarrollados la aportación de la madera al consumo energético no llega al 2% del total. En ciertas zonas de Asia, África, América Central y del Sur las leñas, el carbón vegetal y los restos de ciertas biomasas son los únicos combustibles asequibles, los combustibles fósiles son muy caros de adquirir y, a veces, no llegan hasta estos lugares. En el subcontinente indio el 50% de la energía obtenida de la biomasa procede de residuos de cosechas y de estiércol. En China los residuos suponen 2,2 veces el aporte energético de la madera. Se estima que 800 millones de personas en todo el mundo dependen energéticamente de los residuos de la agricultura y del estiércol. 89

90

Los biocombustibles

Gráfica 3.1. Usos alternativos de las leñas.

En la actualidad de la madera el 90% se quema como tal y el 10% restante se convierte en carbón vegetal. El principal productor de carbón vegetal es Brasil que produce unas 6 Mt del mismo, destinadas en su mayor parte a la industria del hierro y del acero. El consumo de leña por persona es mayor en los países en desarrollo, especialmente en los países menos desarrollados de África. Los consumos de leña en el año 1978 y el porcentaje total de la leña frente a otras energías fueron los que recoge la tabla 3.1. Las leñas eran trece años más tarde (1991) a nivel mundial, el principal uso de la madera, según el Institut des Ressources Mondiales de Francia (1992). Pasados ocho años los datos no han sufrido modificaciones importantes. Según el Banco Mundial (1991) en ciertas zonas de países como Mauritania, Senegal y Zambia no hace mucho años gran parte de la energía se obtenía de la leña y del carbón vegetal. Cuando la zona es más rural, y por tanto más cercana a masas vegetales, se usa más la leña que el carbón vegetal. Evaluar la cantidad de leñas que produce un monte por hectárea y año (posibilidad de leñas) es una de las labores más difíciles de realizar. Su evaluación en masa es difícil, pues aunque se conozca su evaluación en volumen aparente apilado (estéreo) es difícil determinar cuánto pesa un estéreo. Ya que este valor depende de: 1. La habilidad y experiencia del operario. Algo muy subjetivo y difícil de cuantificar. 2. El diámetro medio y los diámetros máximo y mínimo de la leña apilada. 3. La conicidad de la leña, que da irregularidad geométrica a la misma. 4. La distribución de longitudes de las leñas.

91

Leñas y astillas

1.2. Concepto de astilla La astilla es un material orgánico procedente de la fragmentación de biomasa forestal, formada generalmente por madera y corteza. En algunos casos pueden aparecer trozos de hojas, flores y frutos con la madera y corteza. En muchos casos las astillas sólo tienen madera. Para algunos autores las astillas sólo deben contener madera, lo demás se consideran impurezas. TABLA 3.1 La leña en el consumo mundial de energía. FAO. 1978

Mundo . . . . . . . . . . . . . Mundo desarrollado . . Economías de mercado . . . . . . . . . Economías de planificación cent. . . Mundo en desarrollo . . África . . . . . . . . . . . . . Países menos desarrollados: África . . . . . . . . . . . . Asia . . . . . . . . . . . . . Países menos desarrollados. Asia . . Países de planificación central. Asia . . . . . . . . América Latina . . . . .

Consumo por persona

Energía equivalente leña. Millones de GJ (*)

Energía comercial Millones de GJ

Leña del total

1.566 145

0,37 0,13

14.720 1.373

256.594 205.115

5,4 0,7

775

54

0,07

508

145.148

0,3

372 2.762 415

91

0,24

855

59.967

353

0,85

3.318

2.415

1,4 1,4 20,6

138 2.347

163 796

1,18 0,34

1.532 7.478

255 37.558

57,9 85,7

1.010

220

0,22

2,068

24.048

16,6

1.010 349

220 272

0,22 0,78

2.068 2.557

24.048 11.306

7,9 18,4

Población millones

Leña millones m3

4.258 1.147

(*) Un metro cúbico = 9,4 GJ.

Las astillas de madera, como se observa en la gráfica 3.2, pueden utilizarse con distintas finalidades, no todas ellas energéticas: 1. Para obtener tablero de partículas, de fibras o cualquier otro tipo de tableros que utilice astillas. TABLA 3.2 Usos de la madera en el Mundo Uso energético

Uso industrial

Bosque transformado

Zona del mundo

África . . . . . . . . . . . . . . . América del Norte . . . . . América Centro-Sur . . . . Asia . . . . . . . . . . . . . . . . Europa . . . . . . . . . . . . . . Oceanía . . . . . . . . . . . . . Total Mundo . . . . . . . .

Papel

M m3

%

M m3

%

M m3

%

Mt

%

430 123 268 782 139 9

24 7 16 44 8 75 > 20 > 30

10-20 800-1.200 20-30 50-65 50-75 10-20 20-30

> 20 < 800 > 30 < 50 < 50 < 10 < 20

Biocombustibles sólidos densificados

153

Según el Centre de Recherches Agronomiques de Gembloux (Bélgica) las briquetas se clasifican en malas, aceptables y buenas en función de su porcentaje de materia mineral, densidad, humedad, friabilidad en hogar cerrado, friabilidad en hogar abierto, incandescencia en hogar cerrado e incandescencia en hogar abierto. Esta clasificación, para ser adaptada al mercado español podría ser ligeramente modificacada haciendo que las briquetas de 1.150 kg/m3 formen parte de las briquetas consideradas «buenas» y que las briquetas de 850 kg/m3 formen parte de las briquetas consideradas «malas». Otro método para evaluar la calidad de una briqueta estaría basado en clases de calidad. Se proponen cuatro tipos con sus criterios para determinar posteriormente las clases de calidad.

TABLA 4.9 Clase

Densidad kg/litro

Clase

PCI kcal/kg

Clase

Humedad en base húmeda (%)

D1 D2 D3 D4

> 1,1 0,9 - 1,1 0,80 - 0,9 < 0,8

P1 P2 P3 P4

> 4000 3600 - 4000 3300 - 3600 < 3300

H1 H2 H3 H4

< 12 13 - 14 15 - 16 > 16

TABLA 4.10 Clase

F1 F2 F3 F4

Friabilidad. Valor medio (hogar abierto + hogar cerrado) % Adimensional

> 70 60 - 70 50 - 60 < 50

Desde este punto de vista se citarían 4 calidades de astilla o biomasa sólida forestal triturada. Las de mayor calidad son de calidad 1 (C1), las de menor calidad son de calidad 4 (C4).

TABLA 4.11 Calidad: Clase

Tipología

C1

D1 y P1 y H1 y F1

C2

No es de la clase C1 Ninguno de ellos es D3, ni D4, ni P3, ni P4, ni F3, ni F4, ni H3, ni H4

C3

No es de la clase C1 No es de la clase C2 Ninguno de ellos es D4, ni P4, ni F4, ni H4.

C4

Ninguna de las anteriores

154

Los biocombustibles

3. Proceso de obtención de pélets y briquetas 3.1. Línea de flujo para la obtención de pélets y briquetas La peletización es un proceso de compactación de material lignocelulósico de determinadas condiciones (granulometría menor a 2 cm, 1,5 cm y humedad menor del 12% en base seca) para obtener cilindros de un diámetro entre 7 y 25 mm. La longitud del pélet como ya hemos indicado es variable (de 2,2 cm a 7,0 cm, los más abundantes son de 3,5 cm a 6,5 cm). En esencia el proceso consiste en alimentar una gran prensa cilíndrica de extensión. El émbolo de la prensa empuja el material compactado contra una matriz (normalmente cilíndrica) en la que hay unos orificios circulares por donde salen los pélets. Estos orificios circulares de la matriz pueden estar situados en dos lugares: — En el fondo del cilindro de prensado. — En las paredes laterales del cilindro de prensado. El uso de aditivos en el proceso, al igual que ocurría con las briquetas es casi nulo. En general los aditivos presentan dos ventajas: pueden favorecer el proceso de obtención del pélet y proporcionan mayor cohesión al producto final, con lo que se mejora su resistencia al golpeteo. Sin embargo, también aparecen algunos inconvenientes con el uso de aditivos: 1. Se encarece el proceso de peletizado, no sólo por el coste de los mismos sino además también por los costes originados en su manipulación. 2. Pueden resultar contaminantes. Esto es problemático si los pelets se emplean en chimeneas domésticas en las que es un requisito imprescindible que la combustión sea limpia. Estas chimeneas deben quemar con aire secundario, es decir, no sólo aire que entra por debajo de los pélets sino aire que entra a la altura de la llama. Las matrices de las peletizadoras pueden romperse o deteriorarse. Un deterioro común es que se hagan rajas entre dos o más orificios. Cuando se produce esta raja indica que hay algún fallo en el proceso. Si el número de rajas es pequeño no hay problema, pues se sueldan las rajas con soldadura metálica. Pero si el fallo se repite y vuelven a abrirse nuevas rajas es necesario detectar el origen del fallo y subsanarlo y además es necesario cambiar la matriz. Las causas de estas rajas, según nuestra experiencia, es muy variada. Citaremos a continuación algunas de estas causas: 1. Los áridos que contiene la materia prima y que rozan contra la matriz. Proceden de procesos de lijado, en los que el árido de la lija se queda en los residuos que se emplean en la peletizadora. También estos áridos pueden proceder de la corteza cuando se arrastra en el monte, si el pélet está fabricado con restos de corteza. 2. Un mal manteninimiento, ocasionado por lo general por falta de refrigeración de la matriz. 3. Un desgaste ocasionado por la combinación de muchas horas de trabajo, falta de refrigeración y acero de mala calidad. Las tres actividades más importantes que se han de realizar para obtener briquetas y pelets son: — Preparación en dimensiones de la materia prima.

Biocombustibles sólidos densificados

155

Gráfica 4.3. Línea de flujo para obtener pélets y briquetas.

— Secado de la materia prima. — Briquetado o peletizado de la materia prima obteniendo la briqueta o pélet. La línea de flujo que constituye una planta de briquetado consta de : — Secadero. — Tolvas o silos. — Briquetadora. — Cribas. — Astilladoras. — Molinos. — Equipos de movimiento de astillas que incluyen una pala cargadora y cintas transportadoras. — Equipos de movimiento de las briquetas. Suele ser una cargadora industrial de pelets. — Equipo de envasado. En la gráfica 4.3 se presenta la línea de flujo para obtener pélets y briquetas. La máquina es distinta pero los procesos son los mismos. Distinguiremos tres tipos de instalaciones (sin considerar los procesos de envasado y almacenaje): A) De pequeña a mediana producción y gastos de inversión bajos. Producción: 500-700 kg/hora máximo. Las hay hasta de 120 kg/hora. Inversión en maquinaria (exceptuando obra civil): Menor de 30 millones de pesetas. Puede llegar a ser de 12 millones de pesetas, si no incluimos el envasado. La materia prima está ya seca al 16% de humedad como máximo.

156

Los biocombustibles

Los elementos básicos serían: — Molino y aspirador sencillos. — Silo de pequeñas dimensiones. — Alimentador. — Prensa briquetadora. — Canal de enfriamiento. — Sistema de corte de briqueta. B) De media producción y gastos de inversión entre 30 y 50 millones de pesetas. Se incluyen ya molinos más perfeccionados. La materia prima está ya seca al 16% de humedad como máximo. Producción: 700-1.000 kg/hora. Inversión en maquinaria (exceptuando obra civil) superior a los 50 millones de pesetas e inferior a los 70 millones. — Silo de medias-altas dimensiones. — Extractor. — Molino. — Electroaspirador. — Válvula estelar. — Ciclón. — Dosificador de materia prima. — Prensa briquetadora. — Canal de pre-enfriamiento y expulsor. — Canal de enfriamiento. — Sistema de corte de la briqueta. C) De gran producción y gastos de inversión superiores a los 50 millones de

1. Silo. 2. Extractor del silo. 3. Sistema de alimentación de la prensa briquetadora.

4. 5. 6. 7.

Prensa briquetadora. Control de precalefacción/enfriamiento. Expulsor. Canal de enfriamiento. Sistema de corte de briquetas.

1 5 2

7 6

3

4

Figura 4.1. Planta briquetadora de pequeña a mediana producción.

Biocombustibles sólidos densificados

157

pesetas (sin tener en cuenta la obra civil). Se incluyen secaderos. Este tipo de instalaciones pueden trabajar con material verde o húmedo. Son iguales a las anteriores pero con la salvedad de que precisan un secadero y un sistema de almacenamiento posterior al secadero. Suelen ser instalaciones mayores, con mayores producciones y mayores inversiones. En las figuras siguientes se presenta el esquema de tres plantas briquetadoras, la primera de pequeña a mediana producción (figura 4.1), la segunda de mediana a alta producción (figura 4.2), con un silo y sin secadero y la tercera de alta producción (figura 4.3.) con dos silos y secadero. 3.2.

Briquetadoras

Las briquetadoras compactan la biomasa, que ha sido finamente dividida y homogeneizada. El motor que emplean suele ser un motor eléctrico y en el mercado hay muchas marcas y modelos. El pistón que presiona la biomasa tiene un dibujo en la cabeza que queda reflejado en los «discos» que van conformando la briqueta. La figura 4.4 presenta un esquema de funcionamiento de una briquetadora, gentileza de la casa Krupp.

Gentileza de la casa Krupp. Figura 4.4. Esquema de la briquetadora de pistón. Gentileza de la casa Krupp.

Molino Electroaspirador. Silo. Extractor.

5. 6. 7. 8.

Válvula estelar. Refinador. Ciclón de sedimentación. Dosificador.

9. 10. 11. 12.

Prensa briquetadora. Control de precalefacción/enfriamiento, expulsor. Canal de enfriamiento. Sistema de corte de briquetas.

Los biocombustibles

1. 2. 3. 4.

158

PLANTA BRIQUETADORA DE MEDIANA A ALTA PRODUCCIÓN Y CON UN SOLO SILO (sin secadero)

3 7 2 11

8 1

4 5

9 10

6

Figura 4.2.

12

PLANTA BRIQUETADORA DE ALTA PRODUCCIÓN 1. 2. 3. 4. 5.

Molino Electroaspirador. Silo. Extractor. Válvula estelar.

6. 7. 8. 9. 10.

Refinador. Ciclón de sedimentación. Dosificador. Silo. Extractor.

11. 12. 13. 12. 15.

Sistema de alimentación de la prensa briquetadora. Prensa briquetadora. Control de precalefacción/enfriamiento, expulsor. Canal de enfriamiento. Sistema de corte de briquetas.

Biocombustibles sólidos densificados

159

Figura 4.3.

160

Los biocombustibles

Una briquetadora tipo, para fabricar briqueta de sección octogonal hueca, es la PINI+KAY austríaca que procesa de 400 a 600 kg/h de madera blanda o 500 a 800 kg/h de madera dura. Las dimensiones de la máquina son: Ancho 1.170 mm, largo 3.350 mm y alto 2.780 mm. Su peso es de 2.020 kg y su volumen de embalado: 2.920 × 1.710 × 1.525 mm, su embalaje marítimo es de 7,7 m3 incluido motor. La briqueta tiene sección octogonal hueca de 62 mm de arista y un diámetro del hueco interior redondo de 15 mm, su longitud es ajustable. La densidad varía entre 1,15 y 1,50. Otras características de briquetadoras son las de las máquinas fabricadas por la casa RUF que producen briquetas de sección rectangular ligeramente «matadas» en las aristas. TABLA 4.12 Características de las briquetadoras de la marca RB Modelo

RB 100

RB 200

RB 300

RB 400

RB 600

Producción

100 kg/h

200 kg/h

300 kg/h

400 kg/h

600 kg/h

Humedad de la materia prima

5-18%

5-18%

5-18%

5-18%

5-18%

Potencia

5,5 kW

9 kW

11 kW

15 kW

22 kW

200 l

200 l

400 l

2

Presión

130 t (1400 Kg/cm )

Tamaño de la briqueta

150x60 mm 120 l

Tamaño de la briquetadora Peso de la briquetadora

200 l

1.750x1.400x1.600 mm 1.800 kg

1.950 kg

2.700x2.000x 1.600 mm 2.200 kg

2.300 kg

3.500 kg

En algunas briquetadoras, como la BIOMATT T117 es posible variar el diámetro de la briqueta de 28 a 100 mm, cambiando la pieza final de la máquina. Cuando el diámetro es pequeño (28 mm) lo que se obtienen son pelets en lugar de briquetas y se obtienen varios a la vez.

4. Estudios de viabilidad de una planta de briquetado 4.1. Viabilidad en la fabricación de briquetas Los criterios para estudiar la viabilidad económica de una instalación de briquetado son los tres criterios clásicos empleados en el estudio de inversiones: 1. Valor actualizado neto (VAN). 2. Tasa interna de retorno (TIR). 3. Período de retorno de la inversión (pay-back).

Biocombustibles sólidos densificados

161

Los costes de la instalación de briquetado completo (incluye tolvas, silos, molino, secadero, briquetadora, sistemas de control y sistema eléctrico) dependen del tamaño de la instalación. Antes de entrar a estudiar los costes económicos indicaremos los datos precisos para el proyecto: — 1 kg de madera astillada en las especificaciones deseadas, al 10% de humedad (base húmeda), produce 0,93 kg de briquetas. — La densidad de la briqueta es 1,15 kg/dm3 (por piezas). — La densidad de las briquetas almacenadas es de 0,8 (kg/dm3). Esta es la gran ventaja de las briquetas frente a las astillas. — El poder calorífico inferior de la briqueta es muy similar al de la madera de origen. — Hay que distinguir correctamente entre el poder calorífico y el poder calorífico volumétrico. Esta instalación puede funcionar: Caso A) Producción de 600 kg /hora. Para producciones de 600 kg/hora de briqueta la casa importadora pide 80 millones de pesetas (ofertado por una empresa española) que nos parecen excesivos. Incluye toda la planta: briquetadora, secadora, molinos, tolvas, silos y sistemas electrónicos de control. El coste de la briquetadora, sin el resto de la planta, es de 15 millones (instalada únicamente la briquetadora). Si únicamente se adquiere de «primera mano» la briquetadora y el resto (tolvas, sistemas de transporte, secadero, molino) se compra de «segunda mano» o a otras empresas del sector y el montaje eléctrico se encarga a una empresa de la zona pueden reducirse a 70 millones. Si la máquina se va a comprar directamente al fabricante pueden abaratarse los costes. Para cálculos de viabilidad económica debe utilizarse el valor de 65 millones de pesetas (planta de producción de 1.000 kg de briqueta por hora). Valor medio entre los 80 ofertados y los 50 de valor mínimo. a) Un turno diario de 8 horas. Producción anual de briqueta: 1.000 kg/hora · 8 horas/día · 300 días/año = 2.400.000 kg = 2.400 t. Se precisan 2.400/0,9 = 2.581t. b) Dos turnos diarios de 8 horas el turno. Produciendo 4.800 t/año. Se precisan 4.800/0,93= 5.612 t de madera y residuos al 10% de humedad. Caso B) Producción de 1.000 kg/hora. Para producciones de 1.000 kg/hora de briqueta la casa importadora pide 70 millones de pesetas por toda la planta (ofertado por una empresa española) que nos parecen excesivos. El coste de la briquetadora es de 8 millones importándola directamente, y comprada en España de 10 millones. Si únicamente se adquiere de «primera mano» la briquetadora y el resto (tolvas, sistemas de transporte, secadero, molino) se compra de «segunda mano» o a otras empresas del sector y el montaje eléctrico se encarga a una empresa de la zona pueden reducirse a 40 millones. Si la máquina se va a comprar directamente al fabricante pueden abaratarse los costes. Para cálculos de viabilidad económica debe utilizarse el valor de 45 millones de pesetas (planta de producción de 600 kg de briqueta por hora). Siendo 45 el valor medio entre los 52 de valor máximo y los 40 de valor mínimo.

162

Los biocombustibles

Se debe tener asegurada la materia prima, nos parece que en este caso hay materia prima para dos turnos diarios.

5. Usos y mercado de los pélets y briquetas 5.1. Usos y mercado de los pélets Los pélets son utilizados en estufas de alimentación automática, como las que describiremos a continuación. También pueden ser empleados en calderas de calefacción y/o agua caliente sanitaria. El precio de los pélets a la salida de fábrica depende de: • El precio de compra del material que lo compone. • La humedad de este material. • El coste de la energía eléctrica. • El coste de la mano de obra. • El tamaño y ubicación de la instalación. En general una fábrica de pélets es rentable cuando se dispone de materia prima a menos de 3 pta/kg y la humedad de la misma no es superior al 25% en base seca. En todos los casos el precio de la briqueta para el fabricante de la misma, después de pasar por el canal de enfriado, nunca debe sobrepasar las 11 pta/kg. Los pélets se comercializan actualmente de tres formas: 1. A granel o sobre pedido. Se piden en un camión de 20.000 kg, medio camión o un cuarto de camión. La descarga corre a cargo de la empresa que los lleva. Se pueden conseguir precios de 22 pta/kg. 2. A granel comprándolos en sacos que lleva el propio comprador y que son de material y tamaño muy variable. 3. Envasados ya en sacos de plástico retractilado. Es la presentación más extendida. El precio de estos envases depende del peso de los mismos y el lugar de venta. Estos sacos contienen desde 15 hasta 35 kg de pélets. Hay sacos de 15-20-25 y 30 kg. Este es el envase más caro y de mayor calidad pues no perTABLA 4.13 Presentación, lugares de venta y precios de algunas briquetas cilíndricas del mercado español Presentación

N.° briquetas

Dimensión cm Long.

Diám.

Tipo de establ.

lugar de venta

Precio envase ptas.

Peso kg

Precio pta/kg

Envase de plástico retractilado

10

30,0

7,5

1,1

Madrid

475

15

31,66

4

32,5

9,0

1,2

Salamanca

250

7,5

33,33

Caja de cartón

10

32,5

7,5

2,1

Salamanca

335

18

18,61

6

32,0

8,5

2,1

Salamanca

225

11

20,45

Biocombustibles sólidos densificados

163

mite el paso del agua, con lo que los pélets no se hinchan ni pierden poder calorífico. El precio es más caro en las tiendas pequeñas que no son autoservicio y más barato en las grandes superficies de autoservicio, bien sean tiendas que venden todo tipo de artículos como tiendas de jardinería-bricolaje que son una gran superficie. El precio de este pélet es de 22 a 35 pta/kg. 5.2. Usos y mercado de las briquetas Las briquetas tienen dos usos: 1. Como combustible, que es el uso más común. Su uso está centrado en el sector doméstico ya que por su tamaño no pueden ser movidas tan fácilmente como los pélets. 2. Como tacos de madera prensada que se introducen en la fabricación de los pélets. Suelen ser briquetas huecas. El mercado de las briquetas es muy complejo pues las cadenas de distribución y venta son muy variadas ya que la briqueta se vende directamente de productor a consumidor o llega al mismo pasando por uno, dos o incluso tres intermediarios (mayorista, minorista y vendedor final), como se aprecia en la gráfica 4.4. El precio de la briqueta a la salida de fábrica depende de los mismos factores que hemos indicado al referirnos a los pelets. Actualmente (enero, 2001), se vende en bolsas de 15 kg que valen entre 425 y 600 pta y en cajas de 11 kg a 21 pta/kg. En general una fábrica de briquetas es rentable cuando se dispone de materia prima a menos de 3 pta/kg y la humedad de la misma no es superior al 25% en base seca. En todos lo casos el precio de la briqueta para el fabricante de la misma, después de pasar por el canal de enfriado, nunca debe sobrepasar las 11 pta/kg. Las briquetas se comercializan actualmente de tres formas: 1. A granel o sobre pedido. Se pide un camión de 20.000 kg, medio camión o un cuarto de camión. La descarga corre a cargo de la empresa que lleva la briqueta. Se pueden conseguir precios de 15 pta/kg. 2. En cajas de cartón de 10 a 15 kg. El precio medio de esta briqueta es mayor que el precio a granel pero menor que el precio si está envasada en envase de plástico retráctil. La razón es que el envase en caja de cartón es más barato. Presenta el inconveniente de que el cartón deja pasar la humedad y el envase en caja de cartón tiene más huecos. El precio entre las 18 y 25 pta/kg. 3. Envasadas en plástico retractilado. Es la presentación más extendida. El precio de estos envases depende del peso de los mismos y el lugar de venta. Oscila entre los 10 kg y 25 kg. Hay envases de 10 kg (con cuatro briquetas de 2,5 kg), hasta envases de 20 kg con 10 briquetas de 2 kg. Este es el envase más caro y de mayor calidad pues no permite el paso del agua, con lo que las briquetas no se hinchan ni pierden poder calorífico. El precio es más caro en las tiendas pequeñas que no son autoservicio y más barato en las grandes superficies de autoservicio, bien sean tiendas que venden todo tipo de

164

Los biocombustibles

artículos como tiendas de jardinería-bricolaje que son una gran superficie. El precio de esta briqueta es de 22 a 35 pta/kg. Claves de los tipos de establecimiento: 1. Tiendas de atención personalizada, no autoservicio. 1.1. Carbonería. 1.2. Tienda de jardineria y calefacción. 1.3. Ferretería. 2. Autoservicio o gran superficie. 2.1. De ferretería y bricolaje. 2.2. General. 5.3. Estufas automáticas para quemar pélets Ya hemos comentado que una de las ventajas de los pélets frente a las briquetas es que los primeros pueden moverse con un sinfín y se puede automatizar su movimiento. Esto ha posibilitado la aparición en el mercado de unas estufas encastrables, tipo chimenea, que queman pelets automáticamente, con lo que presentan una gran ventaja frente a las chimeneas y estufas de leña o de briquetas. Elementos constituyentes de una estufa para quemar pelets: 1. Tolva de 25 kg, que contiene los pelets que serán quemados. 2. Alimentador tipo tornillo sinfín, que automáticamente se pone en funcionamiento cuando la temperatura del hogar es inferior a un valor prefijado. 3. Canal de entrada de aire de la combustión. 4. Ventilador convector para dar entrada de aire que va después al canal 3. 5. Aire caliente, procedente de la combustión de los pélets. 6. Extractor de humos calientes. 7. Hogar donde se realiza la combustión de los pélets. 8. Cenicero extraible, donde se recogen las cenizas cuando está lleno. 9. Puertas. 10. Recuperador de agua. 11. Cortafuegos. 12. Resistencia para encendido automático. El funcionamiento es como sigue: la tolva (1) contiene pelets que gracias al tornillo sinfín (2) alimentan automáticamente el hogar donde se realiza la combustión (7) y se van consumiendo cuando funciona la estufa. En el hogar (7) además entra aire a través del canal de entrada de aire de la combustión. Un ventilador convector (4) da entrada al aire que sale caliente por los intercambiadores de calor (5). Las cenizas de la combustión caen al cenicero extraible (8) mientras que los humos impulsados por el extractor salen a la chimenea o a un posible intercambiador de calor; el aire caliente de la combustión es conducido a un sistema colector y pasa a una instalación de calor de aire caliente o es enviado a los alrededores de la estufa. Los humos calientes salen gracias al extractor de humos (6). Unas puertas (9) permiten abrir la estufa para dejar salir aire o añadir otros combustibles ligeros o también para iniciar el proceso de encendido de la estufa. En la tabla 4.14 presentamos las principales características de tres estufas automáticas de pélets fabricadas por la empresa española Ecoforest:

Biocombustibles sólidos densificados

165

TABLA 4.14 Elemento

Marco encastrable . . . . . . . . . Ancho/profundidad . . . . . . . . . Altura con pedestal . . . . . . . . . Altura sin pedestal . . . . . . . . . Capacidad del silo . . . . . . . . . Peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Potencia calorífica . . . . . . . . . . Área a calentar . . . . . . . . . . . . Consumo por hora (*) . . . . . . .

Modelo

EF-II 1.020x770 mm 560x600 mm 770-580 mm 550 mm 23/25 kg 100 kg 10.000 kcal/h 140 m2 500-2000 g

EF-III 1.020x770 mm 560x600 mm 770-580 mm 550 mm 23/25 kg 100 kg 11.500 kcal/h 160 m2 500-2500 g

EF-IV 1.020x770 mm 560x545 mm 725-530 mm 500 mm 25 kg 90 kg 7.850 kcal/h 100 m2 500-1800 g

(*) El consumo por hora es función de las horas de uso diarias y de las temperaturas exteriores. A mayor número de horas de uso y menor temperatura exterior mayor será el consumo de pélets y habrá que rellenar con más frecuencia la tolva.

Bibliografía Carre, J. et al. (1987): Briquetting Agricultural and wood residues. Workshop on handing and procesing of biomass for energy. Hamburgo. Erikson. (1988): Briquetting of agricultural wastes for fuel. SEBRA. Trosa. Sweden. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía. 1992 y 1996. Energía de la biomasa. IDAE. Madrid. Instituto Forestal de Investigaciones y Experiencias. (1967): Características físico-mecánicas de las maderas españolas. Inst. Forestal de Investigaciones y Experiencias. Madrid. Marcos Martín, F. (1994): «Pelets y briquetas». Rev. AITIM. 171:54-62. Madrid. Marcos Martín, F. (1998): Otros aprovechamientos forestales. Ed. Fernando Martín Asín. Madrid. Marcos Martín, F. (2001): Biocombustibles sólidos de origen forestal. AENOR. Madrid. Míguez, J.L.; Ortiz, L. y otros. (1998): Criterios de valoración de las briquetas combustibles. en Energía de la Biomasa: Realidades y perspectivas. OTRI de la Univ. de Córdoba. Córdoba. Ortiz, L. (1989): Compactación de biomasa residual, en la Biomasa como fuente de energía y productos para la agricultura y la industria. Junta de Castilla y León. CIEMAT. Madrid.

5 Carbón vegetal

Francisco Marcos Martín

ÍNDICE 1.

Concepto.

2. Principales características del carbón vegetal. 2.1. Forma, color y aspecto. 2.2. Tamaño. 2.3. Densidades. 2.4. Superficie específica. 2.5. Humedades. 2.6. Resistencia a la compresión. 2.7. Características químicas del carbón vegetal: composición química y poderes caloríficos. 3.

Tecnologías para obtener carbón vegetal. 3.1. Tecnologías artesanales para la obtención de carbón vegetal. 3.2. Tecnologías semi-industriales. 3.3. Tecnologías industriales.

4.

El mercado del carbón vegetal en España. 4.1. Usos domésticos. 4.2. Usos industriales. 4.3. El mercado de los carbones activos.

Bibliografía.

1. Concepto Como hemos señalado (Marcos, 1989) hay varias definiciones de carbón vegetal. Una de las más acertadas, y también de las más antiguas, es la de Kollmann según la cual el carbón vegetal es el producto de la combustión incompleta de la madera. Decir que el carbón vegetal es «un combustible sólido de color negro con mayor poder calorífico que la madera» puede suponer el olvido de que el carbón vegetal también es un «material con gran superficie específica muy apto para su uso como filtro». Ambos usos (combustible y carbón activo) son importantes actualmente. En el presente capítulo nos centraremos en su uso como combustible. La diferencia fundamental entre la madera y el carbón vegetal, aparte de que su apariencia física es muy distinta, es que el carbón vegetal tiene mayor contenido en carbono que la madera, por lo que su poder calorífico es mayor y es mejor combustible que ésta. Al contener menos oxígeno el carbón vegetal es inerte, difícilmente alterable con las condiciones atmosféricas normales y no es atacado por los agentes biológicos (hongos e insectos xilófagos) que atacan la madera.

2. Principales características del carbón vegetal Para apreciar los usos y la valía del carbón vegetal, como hemos hecho con otros biocombustibles sólidos, es preciso conocer primeramente algunas de sus características físicas, químicas y físico-químicas. 2.1. Forma, color y aspecto La forma del carbón vegetal recuerda a la de las leñas o de los trozos de madera de los que procede. Su color es negro brillante. El brillo es debido a los líquidos piroleñosos que se quedan en la materia sólida al carbonear. Su aspecto es muy variable. En el proceso de carbonización de la leña se produce un cambio de la composición química pero no se debe alterar la estructura física, para mantener la alta superficie específica de la madera. Por eso, si se mira atentamente el carbón vegetal se pueden apreciar los distintos anillos de crecimiento de la madera de la que se ha obtenido.

170

Los biocombustibles Características energéticas del carbón vegetal Variable

Forma, color y aspecto. Tamaño (largo, ancho, alto). Densidades. Humedades. Superficie específica Resistencia a la compresión y friabilidad.

Unidad

Físicas

1. 2. 3. 4. 5. 6.

— cm, cm, cm kg/dm3 % m2/m3 kg/cm2

Químicas

1. Composición química elemental. 2. Composición química por compuestos químicos. 3. Poderes caloríficos.

% % kcal/kg

Físicoquímicas

1. Variables de combustibilidad e inflamabilidad: Temperaturas y tiempos de combustión e inflamación.

°C, s

2. Índice de calidad energética

Clases

Los trozos de carbón vegetal tienen formas muy variadas. Si la leña se carbonea sin trocear, como ocurre algunas veces, la forma es más o menos cilíndrica. Si la leña está troceada, como ocurre otras veces, el carbón vegetal tiene un aspecto que recuerda perfectamente la madera y corteza de donde procede. La leña se carbonea sin descortezar, que es lo que se hace casi siempre, excepto en tecnologías industriales como el horno Lambiotte donde a veces se emplea residuo descortezado. Ello implica que el aspecto exterior del carbón vegetal recuerda a la corteza de la leña de la que procede. 2.2. Tamaño El diámetro de la leña se mantiene en el carbón vegetal y suele oscilar entre los 5 cm y los 50 cm. Cuando la leña es de mayores diámetros suele trocearse antes de fabricar el carbón vegetal. En los sacos de papel en los que se envasa y vende el carbón vegetal para barbacoa el tamaño suele ser homogéneo. Si aparecen trozos de leña de mayores diámetros suele trocearse antes de fabricar el carbón vegetal. En los sacos de papel en los que se envasa y vende el carbón vegetal para barbacoa el tamaño viene fijado por las tres dimensiones. — Largo: Mayor de 5 cm y menor de 80 cm. — Ancho: Entre 5 y 20 cm. — Alto: Entre 5 y 20 cm. Para homogeneizar el tamaño se emplean cribas. Así, antes de ser envasado en bolsas o sacos de papel el carbón debe cribarse para desechar las piezas en las que la mayor de sus dimensiones sea superior a los 80 cm. Estas bolsas suelen contener unos 3 kg de carbón vegetal (si el carbón procede de especies densas como el roble, la encina, el castaño o el eucalipto) y 2,5-2,7 kg (si el carbón procede de especies menos densas como los pinos). El volumen de estas bolsas es cercano a los 20 litros (incluyendo los huecos entre piezas de carbón). Las bolsas pueden venderse con asa o sin asas, son preferibles, para su transporte por el comprador, las segundas.

Carbón vegetal

171

No está normalizado ni el envase ni el tamaño del carbón de barbacoa; aunque sí existe un comité de normalización europeo que se ocupa de normalizar las barbacoas y las briquetas de carbón vegetal. Existe intención de crear un comité europeo de normalización de biocombustibles sólidos donde se incluye el carbón vegetal. En España se están realizando gestiones para crear este mismo comité en AENOR. 2.3. Densidades La densidad del carbón vegetal es una propiedad física bastante importante, sobre todo en su uso energético ya que densidades altas suponen, a igualdad de peso, volúmenes más pequeños y, por tanto, una disminución de costes a la hora de su transporte. Además, en el uso industrial se buscan carbones densos, ya que producen, a igualdad de volumen, mayor número de calorías en su combustión. La densidad del carbón vegetal depende fundamentalmente de la madera utilizada para su obtención y es función de la del material cargado en el horno de carbonización, aumentando con la densidad del material cargado en el horno. Los valores medios de densidad aparente, es decir, peso/(volumen de carbón+volumen de poros de aire existentes en el carbón) son de 0,170 kg/dm3 a 0,500 kg/dm3. El carbón vegetal utilizado actualmente en España tiene una densidad aparente entre 0,17 kg/dm3 y 0,35 kg/dm3. Con maderas tropicales, y utilizando fosas de tierra para carbonizarlas, se obtienen densidades que van desde 0,261 kg/dm3 para carbón en bruto de Wallaba a los 0,708 kg/dm3 para carbón pulverizado de Dakama, según señalan estudios de la FAO. En los altos hornos de Brasil se considera carbón vegetal de calidad aquel que, entre otros requisitos, tiene una densidad aparente en condiciones naturales entre 0,250 y 0,300 kg/dm3, y ya seco entre 0,230 y 0,270 kg/dm3. Para maderas europeas, Mariller (citado por Kollmann) facilita los siguientes datos de densidad (obtenido el carbón vegetal en carbonera y medido en kg/dm3): — — — — —

Carbón de abeto rojo y pino silvestre . . . . . . . . . . . . . . . . Carbón de pinabete de los Vosgos . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carbón de frondosas blandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carbón de frondosas duras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carbón de roble y frondosas muy duras . . . . . . . . . . . . . .

0,140-0,180 0,125-0,150 0,147-0,200 0,200-0,280 0,300-0,350

Se observa claramente que la densidad del carbón vegetal aumenta con la madera de origen, ya que generalmente las frondosas son más densas que las coníferas. Como las frondosas españolas, sobre todo encinas y robles, presentan mayores densidades que las coníferas, representadas por los pinos, la densidad del carbón vegetal de frondosas es mayor que la de coníferas. Si durante el proceso de carbonización la madera ha soportado grandes presiones, el carbón vegetal obtenido presenta mayor densidad. Por esta razón en los hornos de ladrillo y metálicos el carbón de la parte baja del horno puede ser más denso que en las zonas superiores. La madera procedente de estaciones secas, como es el bosque de encinas español, produce un carbón consistente, duro y más denso que el de estaciones húmedas y con maderas menos densas. Algo similar ocurre con el carbón de alta calidad que obtienen los argentinos en la zona de Salta,

172

Los biocombustibles

Santiago del Estero y zonas limítrofes. Los eucaliptos, por ser maderas densas, producirán casi siempre carbón vegetal de calidad. En cuanto a la densidad del carbón obtenido con cortezas puede indicarse lo que hemos afirmado para el de maderas. Los datos existentes indican densidades aparentes de 0,213 kg/dm3 (conífera) a 0,245 kg/dm3 (frondosa). La densidad real, es decir, peso/volumen de carbón sin huecos de aire toma valores de 1,300 kg/dm3 y está influenciada fundamentalmente por la densidad de la madera origen de dicho carbón. Algunos autores señalan densidades reales más altas pero que corresponden a temperaturas de carbonización de 1.600 °C, que no se emplean en los procesos de carbonización más usuales. Así, Violette (recogido por Marcos, 1989), señala las siguientes densidades reales en función de la temperatura:

Temperatura de carbonización °C

Densidad real kg/dm3

150 240 270 1.600

1.500 1.500 1.400 2.000

2.4. Superficie específica La gran diferencia, antes señalada, entre la densidad real y la densidad aparente pone de manifiesto que el carbón vegetal tiene un porcentaje muy alto. La variable que mide esta propiedad es la superficie específica que es el cociente entre la superficie y la unidad de masa. Los materiales con muchos poros tienen una superficie específica alta y los materiales con pocos poros la tienen baja. Lowry y Hulett (citados por Kollman, 1959) afirman que la superficie específica del carbón vegetal oscila entre 160 m2/g y 436 m2/g; estos investigadores señalaban que los diámetros capilares medios variaban entre 2,8.10-7 mm y 9,2.10-7 mm. Esta magnitud física es de especial importancia para algunas industrias, ya que los materiales con alta superficie específica suelen tener un poder de absorción de gases muy alto. Favre (citado por Kollmann, 1959) señala los siguientes valores de absorción que separa un cm3 real de carbón vegetal (1,57 gramos): Gas

cm3 absorbidos por 1,57 g de carbón vegetal (carbón activo)

CO2 (dióxido de carbono o anhídrido carbónico) SO2 (dióxido de azufre) NO ClH (ácido clorhídrico) NH3 (amoniaco)

95-100 160-165 95-100 160-165 175-180

Para conseguir carbón vegetal con altas superficies específicas, que son los utilizados como carbón activo, el proceso de carbonización debe respetar la estructura de la madera

Carbón vegetal

173

natural. Ahora bien, para que el carbón vegetal tenga un alto poder de absorción no basta con que su superficie específica sea alta, también es necesario que en su superficie interna no se depositen materiales alquitranosos, poco volátiles. Hay sustancias como el cloruro de cinc y los ácidos bórico y fosfórico que facilitan la volatilización o descomposición de los materiales alquitranosos. El procedimiento Aussig, por ejemplo, calentaba la madera con cloruro de cinc obteniendo un carbón vegetal para el filtro de las caretas anti-gases. La industria de filtros es capaz de fabricar filtros mucho más eficaces que los obtenidos a partir de carbón activo, sin embargo, esos filtros son también más caros. La relación calidad/precio del filtro obtenido a partir de carbón activo es en muchos casos la mejor del mercado. En 1995 García Benedicto, Marcos Martín, Martínez Llamas, Pascual y Sáiz de Omeñaca, estudiamos a partir de microfotografías facilitadas por Guindeo Casasús y García Esteban. Por su interés transcribimos la comunicación presentada al Symposium Internacional de Filtración y Separación, celebrado en Salamanca ese mismo año. A partir de preparaciones de madera obtenidas en laboratorio (según secciones transversales al eje de la planta), las preparaciones se observaron con microscopio Leitz Laborlux S mediante circuito cerrado de televisión provisto de cámara Sony CCD-Iris. Las imágenes a analizar se imprimieron mediante una videocámara Sony UP-2200P, utilizando con todas ellas los mismos aumentos. Para estimar superficies en un modelo tridimensional a partir de un corte de dos dimensiones, se considera a las líneas como superficies y a las superficies como volúmenes. A igualdad de superficie en la fotografía las líneas sumarán más longitud cuanto mayor sea el número de círculos - y menor su tamaño. Por ejemplo, un cuadrado de cuatro centímetros de lado posee un perímetro de 16 cm. Sin embargo, cuatro cuadrados de 2 cm de lado, que ocupan la misma superficie, tienen un perímetro total de 32 cm (8 cm por cada cuadrado) y 16 cuadrados de 1 cm de lado, 64 cm. Estas consideraciones nos llevaron a realizar el siguiente modelo operativo: 1. Se hizo un cómputo diferencial de las celdillas, clasificadas en función de sus tamaños. Se tomó como valor 1 el de las más pequeñas, y se separó en los siguientes intervalos: a: 0,1 b: 1,4 c: 4,16 d: 16,36 2. A cada intervalo se le asoció un coeficiente, igual al valor intermedio de los perímetros comprendidos en el intervalo: a.- 2.

b.- 6.

c.- 12.

d.- 20.

3. Se aplica un índice (IST: Índice de superficie total) para poder comparar unas maderas con otras: IST = 2a + 6b + 12c + 20d Donde a, b, c y d son las frecuencias en que aparecen dichos tamaños en la microfotografía, dentro de un cuadrado de 25 cm2.

174

Los biocombustibles

Este índice será mayor cuanto mayor sea, en la microfotografía, el número de líneas por unidad de superficie, es decir, cuanto mayor sea en el material que se estudia la superficie total por unidad de volumen. Puede ser estimativo de la calidad de la madera, en cuanto a su estructura física, como materia prima para la fabricación de carbón activo. Los resultados obtenidos de esta forma son los siguientes:

Especie

IST

Betula pendula . . . . . . . . . . . . . . . . . Fagus sylvatica . . . . . . . . . . . . . . . . . Populus nigra . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pinus canariensis . . . . . . . . . . . . . . . Pinus halepensis . . . . . . . . . . . . . . . . Pinus nigra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pinus pinaster . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pinus pinea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pinus sylvestris . . . . . . . . . . . . . . . . .

3594 3622 5292 4600 3698 4158 4288 3404 5210

Como puede observarse, las maderas más adecuadas, desde el punto de vista de su estructura física, son las de Populus nigra, Pinus canariensis y Pinus pinaster. Sin embargo, la de Populus nigra es muy blanda y hay que tener mucho cuidado al carbonizarla para no destruir su estructura física. 2.5. Humedades La humedad del carbón vegetal, como la de la madera, puede referirse a base húmeda (H) o a base seca (h). Según las fórmulas siguientes: Ph – P0 H= ᎏ Ph

Ph – P0 h=ᎏ P0

donde: PH = Peso húmedo. P0 = Peso seco, obtenido después de un secado en estufa a 100 + 4 °C, hasta que dos pesadas consecutivas sean iguales. Los valores de H son siempre inferiores o iguales a los de h ya que siempre P0 es menor o igual que PH. Únicamente son iguales cuando PH = P0, es decir, al 0% de humedad. La relación entre ambas es: 1 H= ᎏ 1+h Se afirma generalmente que la humedad de la madera influye mucho más en el rendimiento (kg de carbón/ kg de leña) del carbón vegetal obtenido que la especie de la que se obtiene el mismo. A mayor humedad menor rendimiento; esto es lógico ya que si la humedad es grande la cantidad de materia seca es menor a igualdad de peso y por tanto es menor la cantidad de carbón obtenido.

Carbón vegetal

175

El carbón vegetal que se encuentra en el mercado se presenta con humedades entre el 6 y el 10% (medidas en base seca). Una de las ventajas del carbón vegetal, como combustible, frente a la madera es que el carbón vegetal aumenta muy poco su humedad con el tiempo (es inerte), mientras que la madera es muy higroscópica y su poder calorífico desciende con la humedad. Se considera carbón vegetal seco al aire si su humedad está entre 4 y 9,5% (en base húmeda), carbón húmedo si está entre el 10 y 15% y mojado si su humedad es mayor del 15%. La figura adjunta (figura 5.1), debida a Woolich (citado por Kollmann, 1959), señala cómo aumenta la humedad del carbón vegetal en función del tiempo.

Figura 5.1.

Violette (citado por Kollmann, 1959) señala que la higroscopicidad aumenta cuando la temperatura de carbonización disminuye y aporta los datos siguientes para carbón obtenido de Rahmnus frangula:

Temperatura de carbonización °C

Humedad %

150 250 350 450 1.500

21 7 6 4 2

En los procesos más usuales nunca se trabaja con temperaturas de carbonización de 1.500 °C, por lo que el carbón vegetal más seco suele estar entre el 3-4% de humedad. Los valores más usuales, sin embargo, son más altos. Tobler (citado por Kollmann) presenta una tabla muy interesante en la que se señala la humedad que alcanza el carbón vegetal en función de la humedad relativa del aire que lo rodea. Es decir, que un carbón dejado al aire en un ambiente con humedad relativa, por ejemplo, del 70%, alcanza una humedad del 7%. Este concepto recibe el

176

Los biocombustibles

nombre de «humedad de equilibrio higroscópico», y para la madera es muy importante, siéndolo menos en el carbón vegetal por ser éste mucho menos higroscópico que aquella. Estos datos se recogen en la figura 5.2.

Figura 5.2.

2.6. Resistencia a la compresión Para la industria metalúrgica que emplea el carbón vegetal la resistencia a la compresión es una propiedad física importante. Al igual que con la madera se distinguen dos formas de medir la resistencia a la compresión: en la dirección paralela a la fibra (R) y en la dirección perpendicular a la fibra (R´), como señala la figura 5.3. La resistencia a la compresión suele ser mayor en el sentido paralelo a la fibra que en el sentido normal a la fibra. Koroblin y Sokolow (citados por Kollmann) presentan la siguiente tabla en la que se señala la diferencia antes indicada para distintos tipos de carbón vegetal según su especie vegetal de procedencia:

Carbón vegetal

177

Figura 5.3.

Especie de procedencia

R

R’

Abeto rojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pino silvestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abedul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chopo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50-131 103-169 195-334 113-171

9-16 12-26 25-44 15-22

Unidad: kg/cm2

Si estas resistencias son pequeñas, el carbón vegetal, al ser transportado o cargado sobre sí mismo se convierte en carbonilla y polvo. Estos materiales se manipulan mal y pueden obturar los conductos por los que circulan; por lo que en muchos casos es aconsejable y hasta necesario eliminar la carbonilla y el polvo. Así, en la industria siderúrgica de Europa Oriental solamente se empleaba carbón vegetal cuya resistencia a la compresión en sentido normal a las fibras era superior a 9 kg/cm2. Cuando el proceso de carbonización respeta la estructura original de la madera y se realiza de forma rápida llegando a una temperatura final elevada, el carbón obtenido presenta mayores resistencias a la compresión. De todos modos la temperatura final no es el factor más importante y los distintos autores citados por Kollmann que han investigado el tema no llegan a conclusiones claras respecto a esta variable. Se piensa que pueden influir la velocidad de calentamiento, la presión que sufre la carga que se carboniza y el tipo de tecnología empleada.

178

Los biocombustibles

2.7. Características químicas del carbón vegetal: composición química y poderes caloríficos 2.7.1. Composición química El carbón vegetal está compuesto químicamente por carbono, como componente principal, y por algo de hidrógeno, oxígeno y cantidades mínimas de nitrógeno. La composición química elemental del carbón vegetal está en función especialmente de tres factores: 1º — Materia prima utilizada. 2º — Temperatura de carbonización. 3º — Tecnología de carbonización: Que influye sobre todo al condicionar tres factores: • la velocidad de calentamiento, • el tiempo de residencia en el horno, • y la forma de escape de sustancias volátiles. Con iguales tecnologías la especie de madera influye en el carbón vegetal obtenido de forma sencilla: especies vegetales con mayores contenidos en carbono provocan carbones con altos contenidos en carbono y de mayor poder calorífico. La temperatura de carbonización influye en la composición química del carbón vegetal. Esta variable es muy importante y ha sido ampliamente estudiada. Aquí señalaremos los trabajos de Cordero Alcántara y cols. (1987) en los que se indica que la calidad del carbón obtenido aumenta con la temperatura de operación, dato con el que coinciden todos los autores consultados. A partir de los 450 °C los carbones que se obtienen (con un 81,18% de carbono) son de calidad. Los autores citados añaden la determinación de poderes caloríficos obtenida a partir del análisis elemental; señalan que para temperaturas comprendidas entre 450 y 600 °C el poder calorífico está alrededor de 7.500 kcal/kg. Los resultados que se presentan en la tabla adjunta se refieren a pirólisis en atmósfera de nitrógeno y son debidos al autor antes citado:

Temperatura de pirólisis

%C

%H

%N

%O

100 200 250 300 350 400 450 500 550 600

50,28 48,88 50,64 58,75 75,69 76,89 81,18 82,96 87,11 89,39

6,09 5,84 5,04 4,96 3,31 3,27 2,98 2,52 2,42 2,19

0,19 0,24 0,25 0,28 0,62 0,40 0,41 0,66 0,50 0,43

41,14 42,70 41,31 34,35 19,10 18,15 13,65 11,15 6,89 4,79

Nota: El oxígeno es obtenido por diferencia del total deduciendo cenizas.

Carbón vegetal

179

En la tabla anterior podemos apreciar cómo a medida que aumenta la temperatura el contenido de carbono lo hace también, el de nitrógeno aumenta muy ligeramente y los de oxígeno e hidrógeno disminuyen ostensiblemente. Estos resultados se han obtenido en horno tubular discontinuo, con un tiempo de carbonización de tres horas en todos los casos; es decir en un proceso de carbonización industrial. Uno de los problemas con que se encuentran los técnicos del carboneo es elegir correctamente la temperatura de carboneo ya que a mayor temperatura (suponiendo igualadas el resto de las variables) se obtienen dos efectos contrapuestos: 1. Aumenta el porcentaje de C y, por tanto, el poder calorífico. 2. Disminuye el rendimiento (kg de carbón/ kg de leña). La figura 5.4 recoge la variación del rendimiento del carbón vegetal y el PCS frente a la temperatura del horno.

1 1 Poder calorífico 2 Rendimiento

2

Tpta

Figura 5.4.

Si el aumento de temperatura se produce de forma muy rápida, los resultados son muy distintos, ya que a temperaturas altas aumenta el porcentaje de hidrógeno. Pero estos procesos en los que se llega en menos de un minuto a los 800 ó 900 °C no son procesos de carboneo. La tecnología de carbonización es, en última instancia quien condiciona la calidad del carbón vegetal. Como veremos posteriormente hay tecnologías artesanales en las que la calidad del carbón (medida por el % de carbono) depende fundamentalmente de la habilidad del operario. En las tecnologías semi-industriales (hornos de ladrillo y acero fundamentalmente) la habilidad del operario influye menos. Por último, en los hornos industriales la calidad es casi constante si la conservación del horno es la

180

Los biocombustibles

correcta. Al hablar de la tecnología hemos señalado tres de los factores propios de cada tecnología y que se interrelacionan mutuamente. Velocidades de calentamiento altas suponen, en casi todos los casos, tiempos de residencia en el horno bajos y a su vez conductos y formas de escape de humos bien diseñadas. También se requiere un buen diseño en la forma de entrada de aire, si bien esto influye de forma menos directa en la composición química del carbón, aunque sí condiciona la velocidad de calentamiento, e indirectamente su composición química. El poder calorífico del carbón vegetal es una de las mayores diferencias entre este biocombustible y otros biocombustibles sólidos forestales. Es mucho mayor en el carbón vegetal que en la madera, leñas, cortezas, astillas, pelets, briquetas de madera, biomasa agrícola triturada, ... El poder calorífico del carbón vegetal depende de la composición química del mismo y, por tanto, del proceso de carbonización del que hemos hablado en epígrafes anteriores. Poder calorífico del carbón vegetal kcal/kg Material

Briquetas de carbón vegetal Carbón vegetal de retorta: Frondosas blandas Frondosas duras Carbón vegetal de fábrica

Pinus halepensis Mill. Pinus sylvestris L. Quercus ilex L. Rhizophora mangle L. Eucalyptus globulus Labill.

Superior

Inferior

Fuente

7.200-7.970

7.090-7.850

Kollmann

5.850-7.560 7.590-7.764 7.331-7.695

5.550-7.390 7.406-7.577 7.143-7.508

Kollmann

7.071 7.367 6.421 7.301 7.260

Kollmann Batuecas Batuecas Batuecas Batuecas Batuecas

(*) (*) (*) (*) (*)

(*) Citado por Elvira (1989).

Como la densidad del carbón vegetal es baja, entre 0,25 y 0,35 kg/dm3, la densidad energética también lo es.

3. Tecnologías para obtener carbón vegetal Una primera clasificación de las tecnologías empleadas para la obtención de carbón vegetal es aquella en la que consideramos la barrera física que evita la combustión acelerada de la leña. Esta barrera física puede ser tierra, ladrillos, cemento armado y metal. En la tabla siguiente aparecen algunas tecnologías de carbonización clasificadas según este criterio. Otra clasificación, presentada por Trossero, diferencia las tecnologías de carbonización dependiendo de si el calor empleado en secar y calentar la leña está originado por la propia madera de la carga o por algún combustible (gas, madera, fuel, ...) que se separa de la carga de madera que va a ser carbonizada.

Carbón vegetal

181

Clasificación de tecnologías de carboneo en función de la barrera de separación madera-medio externo. Barrera de separación Madera-aire ambiental

Tecnología o tipo de horno de carbonización

TIERRA

Fosa de tierra Parva tradicional y parva sueca con chimenea Horno Casamance

LADRILLO

CEMENTO ARMADO LADRILLO-ACERO ACERO

Horno de colmena brasileño Horno media naranja argentino Horno de colina Horno Missouri Horno Schwartz Horno Lambiotte Horno metálico español Horno TPI Horno Carbofrance, Bataillon, Magnien Horno Pillard, Aldred Process Plant Horno Coppe, Lurgi

Tipo 1: El calor empleado en secar y calentar la madera procede de la propia leña de la carga: — Parvas (tradicional y sueca). — Fosas de tierra — Hornos de ladrillo (media naranja, colmena, ...). — Horno Missouri. — Horno TPI. — Horno Carbofrance. Tipo 2: El calor empleado en secar y calentar la leña procede de otro combustible separado de la carga. Tipo 2.1: El calor se transmite de forma indirecta, a través de las paredes de la retorta: — Hornos de retortas metálicas. Tipo 2.2: El calor se transmite de forma directa a través de un gas neutro caliente que circula entre la leña que se va a carbonizar: — Horno Schwartz. — Horno Lambiotte. En el desarrollo de este capítulo dividiremos las tecnologías de carbonización atendiendo sobre todo a la complejidad de los instrumentos empleados, a la producción obtenida y al número de días transcurridos desde que se carga el horno o la parva hasta

182

Los biocombustibles

Gráfica 5.1.

Carbón vegetal

183

que se obtiene el carbón (tiempo de ciclo). El tiempo de ciclo es la suma de los tiempos de carga del horno, tiempo de carboneo, tiempo de enfriado del carbón y tiempo de descarga del horno, como señala la gráfica 5.1. El objetivo del carbonero es hacer estos tiempos lo más breves posibles, sin disminuir la calidad del carbón y sin permitir que entre aire dentro del horno. Con instrumentos escasos y sencillos la producción es baja y el tiempo de ciclo de carbonización es largo. Generalmente a medida que aumenta la complejidad de los instrumentos el tiempo de ciclo disminuye y la producción aumenta. Las tecnologías más sencillas son las artesanales, el instrumental requerido puede ser únicamente un par de hachas y unas horcas. En este caso el tiempo de ciclo puede ser superior a un mes y la producción anual es baja, refiriéndola a toneladas de carbón por hombre y año. En estos casos la barrera física que separa la carga de madera a carbonizar y el aire del ambiente es muy económica, por estar constituida por tierra. Las tecnologías más evolucionadas utilizan hornos con sistemas de control más o menos sofisticados. Las tecnologías más sofisticadas suelen corresponder a procesos continuos. Decimos que el proceso es continuo cuando el carbón se obtiene de forma continua. En contraposición, un proceso es discontinuo cuando el carbón se obtiene de forma discontinua, es decir, transcurren varios días entre una obtención de carbón y la siguiente obtención. Con un ejemplo lo entenderemos mejor: un proceso discontinuo es el artesanal de parvas de tierra, en las que una vez obtenido el carbón, éstas se han de rellenar y esperar, según los casos, de 20 a 40 días para volver a obtener carbón en el mismo lugar. Otro proceso discontinuo sería el del horno metálico tipo TPI (Tropical Products Institute) en el que transcurren como poco tres días desde que se obtiene una carga de carbón hasta la siguiente. A las tecnologías continuas y de alta producción, con sistemas de control más o menos sofisticados, como el horno Lambiotte, llamaremos industriales. Entre éstas y las artesanales aparecen las tecnologías que denominaremos semi-industriales, que se corresponden con procesos discontinuos, tiempos de ciclo más breves que en las artesanales y empleando todas ellas hornos más o menos sofisticados. La producción de los hornos semi-industriales es mayor que la de los artesanales pero, también requieren mayores gastos de inversión inicial. Según esta clasificación, tendremos la tabla siguiente:

Tecnologías

Artesanales Semi-industriales

Industriales

Inversión

Tiempo de ciclo

Ejemplo

Muy pequeña

20-35 días

Parva Fosa

Media

5-10 días

Horno media naranja Horno colmena brasileño Hornos TPI y Carbofrance Horno metálico Marcos

Alta

Menos de 1 día

Horno Lambiotte Horno Lurgi

184

Los biocombustibles

Los hornos más utilizados clasificados según la clasificación anterior son: Clasificación de las tecnologías y hornos de carboneo según la inversión y tiempos de ciclo Tecnología

Tecnología o tipo de horno de carbonización

ARTESANALES

Parva tradicional y parva sueca con chimenea Fosa de tierra Fosa de tierra mejorada Horno Casamance

SEMI-INDUSTRIALES

INDUSTRIALES

Horno de colmena brasileño Horno media naranja argentino Horno Missouri Horno Schwartz Horno TPI Horno Carbofrance, Bataillon, Magnien Horno Horno Horno Horno

Lambiotte Pillard, Aldred Process Plant Coppe Lurgi

3.1. Tecnologías artesanales para la obtención de carbón vegetal 3.1.1. Parva tradicional La tierra ha sido utilizada, desde los inicios de la carbonización, como barrera física para separar la leña que se está carbonizando del aire exterior. El carbón vegetal se obtiene de plantas lignificadas y allí donde hay plantas hay tierra en abundancia. Por esta razón las primeras carboneras utilizaron tierra para separar la madera que se carboniza del aire que la rodea. En la actualidad la tierra se continúa empleando, debido fundamentalmente a que las carboneras de tierra no suponen ningún desembolso inicial de capital. Desde luego esta tecnología es la que produce el carbón más irregular, ya que el control del proceso es difícil y no se dispone de medios para mejorarlo. La calidad y, sobre todo, la uniformidad, del carbón vegetal obtenido por este método depende fundamentalmente de la preparación de los operarios que lo realicen. La gráfica 5.2 presenta la línea de flujo para la obtención de carbón vegetal en la parva tradicional. En España entendemos por carbonera o «boliche» lo que técnicamente se denomina parva de carbonización y que en adelante llamaremos simplemente parva. La línea de flujo de obtención de carbón vegetal con esta tecnología es la que señalamos en el cuadro que se presenta a continuación. Una de las mayores ventajas de esta tecnología, tan antigua, es su adaptabilidad. La forma y dimensiones de la parva oscilan desde una parva en forma de tronco de cono con diámetro inferior de dos o tres metros, diámetro superior de un metro y altura muy variable; hasta una parva en forma de tronco de cono con más de treinta metros de diámetro inferior, más de quince metros de diámetro superior y altura variable.

Carbón vegetal

Gráfica 5.2.

185

186

Los biocombustibles

No sólo presentan gran variabilidad en su tamaño, sino también en el lugar de ubicación. Al no ser las parvas obras de instalación fija ni tener que transportar ningún instrumento (excepto el hacha o la motosierra para el troceo), el proceso de carbonización, en principio, puede realizarse en cualquier lugar. Esta es la tecnología ideal para la producción de carbón vegetal en pequeña escala, aunque en ocasiones ha sido usada también a gran escala, sobre todo para la obtención de carbón vegetal para la industria siderúrgica. El 80% del carbón vegetal empleado en Suecia en 1940 para el uso industrial antes señalado se obtuvo con parvas de tierra mejoradas como indicaremos más adelante. La construcción de la parva se realiza del siguiente modo: en primer lugar se colocan trozas grandes, cruzadas entre sí, para permitir el flujo de aire, colocándose sobre ellas posteriormente el resto de las trozas a carbonizar. El diámetro inferior de la parva es muy variable. Los diámetros inferiores de la parva más usuales están comprendidos entre los dos y los diez metros. Se procura que en la base de la parva haya huecos que permitan la entrada de aire. Estos huecos son los que servirán de elemento de control del proceso, ya que a medida que se realiza la carbonización van siendo taponados con barro. Cuando la carga ya se ha carbonizado y se desea enfriar el carbón obtenido y detener el proceso, se taponan todos los huecos, con lo que se evita la entrada de aire y el proceso se ralentiza. La dificultad de controlar el flujo de aire durante el proceso hace que la construcción de la base de la parva sea un factor fundamental; sobre todo la correcta distribución de los huecos y la construcción de canales en el interior de la parva por donde circule el aire. Si estos canales están mal distribuidos en un principio, su redistribución, cuando ya se ha encendido la parva, es difícil y, sobre todo, peligrosa, ya que puede provocar quemaduras y en algunos casos hasta la muerte de los operarios. El número de estos huecos, también llamados aperturas o tomas de aire, para una parva de cuatro metros de diámetro en la base suele ser de seis a diez. Para parvas mayores el número de tomas es mayor. Estas tomas han de estar uniformemente repartidas a lo largo del perímetro de la base y es mejor que sobren a que falten, ya que si sobra alguna de ellas es fácil taponarla rápidamente con tierra o, mejor, con barro. El terreno de asentamiento de la parva se prefiere llano, para facilitar el trabajo de colocación de la carga, y algunas veces es conveniente realizar una pequeña nivelación del mismo. De todos modos, lo más usual es buscar un terreno llano y, sólo en los casos indispensables, se deberá levantar la parva sobre superficie con pendiente. Otra característica importante del terreno es que ha de ser lo más compacto posible y estar bien drenado. En ningún caso es aconsejable un terreno que pueda ceder ante el peso de la carga a carbonizar. Durante el proceso, los carboneros andan sobre la carbonera y si el terreno cede con el peso del hombre éste puede perder el equilibrio y sufrir un grave accidente. Los suelos mal drenados y encharcados no deben ser utilizados nunca. En algunos casos se colocan, a modo de postes, trozas de diámetro pequeño clavadas verticalmente a lo largo del perímetro de la parva. Estas trozas sirven para facilitar la colocación de la carga y evitar que ésta se deshaga. Incluso a veces se coloca un poste en lo que será el hipotético centro de la parva para facilitar la colocación de la

Carbón vegetal

187

carga, aumentando la estabilidad de la pila. Además, este poste suele ser útil para el operario, ya que se ayuda de él cuando está colocando las trozas pues le sirve como punto de apoyo. Cuando se ha terminado de construir la parva este poste central es retirado y el hueco que queda en su lugar puede hacer las veces de chimenea, facilitando el tiro de aire en el centro de la carga. La parva suele tener forma tronco-cónica o de montículo más o menos ovalado. Las trozas mayores, que serán las más pesadas, son las que dan solidez a la parva y se colocan en la parte inferior. Si se colocaran en la parte superior podrían provocar hundimientos en la parva, y crearían un factor de inseguridad. Los espacios que aparecen entre estas trozas grandes son rellenados con madera de dimensiones menores; se obtiene así una parva más compactada y densa. La superficie exterior de la parva ha de ser lo más uniforme posible y ello se consigue colocando madera de pequeñas dimensiones. No debe quedar ninguna troza libre con posibilidad de movimiento o capacidad de rodar sobre las inferiores. Entre las trozas siempre quedarán huecos que permitan el flujo de aire necesario para el proceso. Estos huecos deben estar uniformemente repartidos en todo el volumen de la parva, existiendo una o varias aperturas en el techo de la parva, por donde sale el aire utilizado en la carbonización. Como ya hemos indicado, en la correcta circulación del aire por entre los huecos de la parva radica el éxito de esta tecnología. Son, por tanto, operarios experimentados los que consiguen rellenar la parva de forma óptima. Una vez que la madera está apilada se aconseja dejar unos días la pila aireándose y secándose. Todo este secado natural disminuye el tiempo empleado en secar la madera durante el proceso. Lo que ocurre es que a veces no se deja secar la pila por falta de tiempo y tarda mucho en empezar a carbonizarse, ya que el calor desprendido en las primeras combustiones se emplea en evaporar el agua de las restantes trozas de madera. Es importante que la superficie externa de la parva sea lo más uniforme posible para que en el tapado posterior no se caiga la tierra dentro de la parva. Los buenos y experimentados carboneros de Salamanca, Cáceres, Badajoz, País Vasco, Navarra, Huelva y otras provincias españolas consiguen superficies muy uniformes. Este detalle indica generalmente la experiencia del operario. La tierra que cae dentro hay que separarla del carbón al deshacer la parva, lo que supone un trabajo adicional. Una vez apilada la madera y después de que se ha secado, se procede a tapar la parva. Para taparla se utiliza en primer lugar ramillas con hojas, paja, hierbas, pasto, etc. Sobre esta capa se echa otra de tierra procurando que no sea arcilla, ya que puede encoger mucho con el calor desprendido en la carbonización y formar una costra que impida totalmente la salida de aire o rajarse dejando grandes grietas. En la parte superior de la parva ha de dejarse al menos un hueco por donde salga el aire. Este hueco, que puede ser dejado al retirar el tronco central ya indicado, actúa como chimenea y los operarios, a lo largo del proceso, lo tapan o destapan retardando o acelerando la carbonización. La mejor tierra es la franco-arenosa que se altera poco con el calor. A veces, se utilizan tepes, es decir, tierra con hierbas y se colocan entonces con la hierba hacia el interior de la parva quedando la tierra en la cara vista exterior.

188

Los biocombustibles

Los grosores de la capa de tierra son muy variables y dependen del tipo de tierra y del operario que realice el proceso. Grosores de más de 50 cm son raros, oscilando el valor medio entre los 10 y 30 cm. La correcta ejecución del tapado de la parva es vital para el futuro control del proceso. El objetivo es lograr un equilibrio entre tomas de entrada y zonas recubiertas. El número de tomas ha de ser el indispensable para que entre y salga aire. Si no existieran estas tomas el proceso sería muy lento. Si hay más tomas de lo debido puede entrar aire en exceso y entonces la madera se quema, llegándose a incendiar la parva. El tapado debe ser siempre revisado, no sólo antes de comenzar la carbonización de la parva sino también durante toda la carbonización. Hay dos formas de encender las parvas. La más utilizada es quemar madera en algunos huecos inferiores o introducir carbón madera ardiendo en estos huecos. Otra forma es meter carbón o madera ardiendo por el agujero superior de la parva y observar que la madera o carbón introducidos incendian, sin llegar a quemar totalmente, la madera más cercana. El humo inicial es blanco y denso. Cuando el proceso está en pleno desarrollo el humo se vuelve azulado y finalmente transparente. El tiempo que transcurre desde que se enciende la parva hasta que la madera se ha carbonizado depende de muchos factores entre los que cabe destacar la climatología (temperatura, humedad y pluviosidad), tamaño de la parva, humedad y dureza de la madera, tamaño de la madera, compactación de la carga, forma de la parva y, sobre todo, correcto control del proceso. El carbonero debe controlar la parva, incluso por la noche. Cuando se detectan zonas frías en la parva el carbonero abre los huecos más cercanos a esas zonas frías. Por el contrario, cuando se detectan zonas calientes el carbonero cierra los huecos cercanos a las mismas. De esta manera el carbonero controla la circulación del aire dentro de la parva. Si desea abrir agujeros pincha con un palo con la punta. Para taparlos utiliza la banasta que es como una bandeja de mimbre. 3.1.2. Parvas suecas Hemos señalado que para realizar la carbonización de forma correcta es necesario asegurar que el flujo de aire que circula entre la leña sea uniforme. Si las cantidades de carbón que se precisan no son altas la parva tradicional, llevada por buenos carboneros, proporciona resultados aceptables. Pero si la cantidad y, sobre todo, la calidad del carbón requerido es alta y uniforme deben tomarse algunas medidas que garanticen la uniformidad de este flujo de aire. Así ocurrió en Suecia cuando su industria siderúrgica necesitó mejorar la calidad del carbón vegetal que empleaba como materia prima. Las mejoras introducidas en las parvas fueron dos, encaminadas a facilitar la entrada de aire y mejorar la salida de humos. Para facilitar la entrada de aire en la parva se coloca en su base una red o rejilla cuadriculada, formada por troncos separados entre sí. Sobre esta rejilla se apilaba la madera. Los lugares de entrada del aire eran más de uno. Para mejorar la salida de humos, se añadió, en el extremo opuesto al utilizado para encender la parva, una chimenea conectada con un conducto hueco en el interior de la parva. La chimenea, de sección circular en la mayor parte de los casos, aumentaba el

Carbón vegetal

189

tiro, y los humos salían por ella sin encontrar obstáculos. La capacidad de las parvas suecas oscila entre los 100 y 250 metros cúbicos aparentes (estéreos). Los tiempos empleados en el proceso eran: — Carga de madera: 4 días. — Carbonización de la parva: 6 días. — Enfriamiento del carbón: 10 días. — Descarga del carbón: 4 días. — Total: 24 días. El rendimiento en volumen de este tipo de parvas es del 55% en carbón respecto a la madera empleada. El carbón vegetal obtenido es de alta calidad (alto contenido en carbono) y baja densidad (130 a 160 kg/m3). 3.1.3. Fosa de tierra El segundo método para obtener carbón vegetal utilizando la tierra como barrera física de separación entre el medio externo y la madera es la fosa. Este método, que en esencia consiste en excavar una fosa donde se echa la madera a carbonizar y luego taparla con tierra vegetal, está poco extendido en España, pero sí se utiliza en países africanos como Ghana y en toda Sudamérica. Presenta el inconveniente, frente a la parva, de que hay que cavar una fosa. Al igual que con las parvas no requiere ningún desembolso económico al comienzo ni durante el transcurso del proceso. El carbón vegetal obtenido es muy irregular. Generalmente el proceso de carbonización comienza en un extremo de la fosa y termina en el otro. Debido a esto, el carbón vegetal del inicio suele estar más quemado, contiene volátiles y puede quedar convertido en cenizas, desperdiciándose en estos casos madera que de otra forma sería hecha carbón vegetal. La otra parte queda carbonizada sólo parcialmente, incluso no se seca correctamente y no llega a convertirse en carbón en su totalidad. Se distinguen dos tipos de fosas de carbón vegetal. Unas pequeñas de hasta un metro de ancho y otras mayores, de varios metros de ancho. En las primeras, tras excavar la fosa, se prende fuego en su interior y se añade madera de pequeñas dimensiones, lo más seca posible, que provoque un buen fuego. A continuación, se añade madera hasta tapar la fosa, de modo que el fuego se apague pero continúe la combustión sin llama. Cuando se ha llenado de madera la fosa se cubre con una capa de hojarasca, pastos o hierba y luego con otra capa de tierra dejando huecos para que respire la madera que se carboniza y también para que entre el aire en la fosa. Algunas veces se emplea una chapa metálica, rellenando algunos huecos con tierra pero dejando otros libres, para que entre aire limpio y salgan los gases quemados. La calidad del carbón vegetal así obtenido depende de la pericia de los operarios. No es una calidad uniforme, aunque puede ser un carbón aceptable para usos domésticos en África y en América del Sur, donde este tipo de carboneras es más frecuente. Uno de los problemas de este tipo de fosas, y también de las mayores, es el originado por el agua de lluvia que puede arrastrar los gases.

190

Los biocombustibles

3.1.4. Fosa de tierra mejorada Como el tiempo de ciclo con la fosa de tierra generalmente es superior a los 20 días, el tapado es problemático y peligroso, se han realizado ligeras mejoras a esta tecnología. Estas mejoras afectan al tapado de la fosa y se utilizan tanto en Sudamérica como en África. Consisten en tapar la fosa con una o varias chapas metálicas. Estas chapas suelen proceder de bidones en los que se ha quitado el fondo y se ha dejado desenrollado la superficie lateral. Entonces, el tamaño de la fosa viene determinado por la superficie lateral del bidón, ya que se colocan varios de estos bidones desenrollados. Para sujetar el bidón se recomienda colocar un cable de acero (si no se dispone de acero otro tipo de cable, pero que no se queme con el calor desprendido en el proceso) entre unas estaquillas situadas en los bordes de la fosa. La capa de hojas y tierra que cubre la fosa se sitúa encima de la carga, por encima se coloca la chapa señalada y, para que haya menos pérdida de calor, se vuelve a colocar otra capa de tierra. Si se dispone de cable de acero, a veces, sólo se colocan la chapa y la capa de tierra por encima de ella. En la figura 5.5 se observan la sección transversal y la planta de una fosa de tierra mejorada. chapa

R

R

chapa

cables (c)

R

respiraderos (R)

Figura 5.5.

Carbón vegetal

191

El tiempo de ciclo puede llegar a ser de diez días y, si el carbonero es experto, la calidad del carbón vegetal obtenido es alta. 3.2. Tecnologías semi-industriales En las llamadas tecnologías semi-industriales la barrera de separación entre la leña que se carboniza y el medio ambiente puede ser cerámica o metálica. Clasificación de las tecnologías semi-industriales de carboneo Material de separación leña-aire

Tecnología o tipo de horno de carbonización

Cerámico

Horno de colmena brasileño Horno media naranja argentino

Hormigón armado

Horno Missouri

Acero

Hornos metálicos españoles Horno Schwartz Horno TPI Horno Carbofrance, Bataillon, Magnien

3.2.1. Horno media-naranja argentino El material con el que está construido es ladrillo y tiene forma de media naranja. Son hornos muy utilizados en toda Argentina, en especial en las regiones Centro y Norte, destacando Salta, Santiago del Estero y zonas limítrofes. También se usan en Paraguay. La construcción de los mismos se realiza por parte de especialistas y han conseguido un carbón de muy alta calidad ya que aparte de fabricar bien el horno, controlan muy bien el proceso y disponen de maderas duras (quebracho blanco y quebracho rojo o colorado). Los hornos media naranja tienen tamaños muy variables, con diámetros desde 2 metros hasta los 16 metros. Un tamaño muy usado es el de unos 6 metros de diámetro. El número de hornos de una batería suele estar compuesto por un múltiplo de 4 hornos de algo más de 6 metros de diámetro, ya que el carbón producido con estos cuatro hornos llena un camión. Los ladrillos son de barro cocido y suelen ser todos del mismo tamaño independientemente del tamaño del horno. La puerta de carga y la de descarga deben estar en dirección perpendicular a los vientos dominantes para evitar que entre mucho aire y se queme el horno. Este accidente también ocurre cuando una de las puertas se cae y permite la entrada de aire. Es un tipo de horno muy estudiado por lo que con él se consigue carbón de gran calidad, como ya se ha indicado. El número y disposición de los huecos en las paredes es función del tamaño del horno. A mayor tamaño mayor número de huecos. La disposición suele ser en rombo, en las partes más bajas del horno, circunferencias paralelas al suelo de mayor diámetro, hay más huecos que en las partes más altas. Estos huecos permiten la entrada de aire y cuando el proceso de carboneo ya está en pleno funciona-

192

Los biocombustibles

miento se van cerrando con barro. El orificio superior siempre permanece abierto para permitir el escape de los gases. 3.2.2. Horno colmena brasileño Tiene la forma de cilindro acabado en casquete esférico y está fabricado con ladrillos. Su coste oscilaba alrededor de 700 dólares USA en 1978. Su período de vida puede llegar a los 6 años. Los rendimientos son aceptables, obteniendo un metro cúbico de carbón vegetal por 1,6 estéreos de madera. La duración del ciclo de carbonización es mucho menor que en los artesanales vistos hasta ahora. Suele ser de 8 a 12 días, con una producción de unas 5 toneladas por ciclo. El enfriamiento es uniforme, ya que las paredes del horno son de espesor uniforme y están en contacto con el aire ambiental. La duración del ciclo podría disminuirse si el período de enfriamiento se viera forzado añadiendo agua pulverizada, pero esto supondría costes adicionales de transporte de agua que tal vez no esté disponible en las cercanías del horno. 3.2.3. Horno Missouri El horno Missouri emplea como separación entre la madera que se carbonea y el medio ambiente, una estructura de hormigón armado. Está pensado para emplearse en climas con bajas temperaturas y donde se produzcan heladas. Los hornos de ladrillo vistos hasta ahora son usados en países que no tienen ese problema (Brasil, Argentina). En climas más fríos estos hornos serían poco eficaces ya que la congelación del agua entre las grietas de la mampostería provocaría su destrucción. Este tipo de hornos se emplea en zonas en las que la mano de obra es cara y en las que la mecanización está desarrollada. La carga de madera y la descarga del carbón vegetal se realiza con tractores, palas cargadoras de ruedas o pequeños camiones con grúa. Por tanto, el tamaño del horno es grande para permitir la entrada y salida de estos equipos. Las paredes suelen ser de 2,50 metros de altura y el techo abovedado llega a los cuatro metros. El volumen es variable, desde los cuatro hasta los 350 metros cúbicos, siendo frecuentes valores entre 150 y 200 metros cúbicos. Uno de sus problemas, común a otros tipos, es el de la estanqueidad durante el proceso. Las puertas, que son de acero de 100 mm de espesor, deben cerrarse perfectamente, evitando fugas de humos o entradas de aire. En un horno de 180 metros cúbicos cada lámina de la puerta llega a pesar un cuarto de tonelada, por lo que debe estar sujeta por resistentes bisagras. Para facilitar la salida de humos se emplean ocho chimeneas (cuatro a cada lado del horno), de unos cinco metros de altura. Si pensamos en que el horno Missouri tiene una estructura que aguanta muy bien el frío, hemos de concluir que su problema será entonces el enfriamiento. Debido a que los volúmenes de los hornos Missouri son grandes, alrededor de 180 metros cúbicos, y a que las paredes de hormigón armado aislan bien de las pérdidas de calor durante la carbonización, se aprovecha bien el calor; pero sin embargo el enfriamiento es muy lento.

Carbón vegetal

193

El control del proceso, en hornos de tan grandes dimensiones, es complicado. Para facilitarlo se deben colocar termopares unidos a un registrador electrónico. Estos termopares han de localizar las zonas de altas y bajas temperaturas; si la temperatura es alta existe el problema de incendio pero si es baja el proceso es más lento y, por tanto, más costoso. Ha de señalarse que un posible incendio en hornos de tamaño tan grande puede resultar muy peligroso por lo que la prudencia indica que, en caso de duda, se disminuya la temperatura del horno. Presentan unos rendimientos parecidos a los hornos de ladrillo de colmena o de media naranja, si todos ellos funcionan en óptimas condiciones. Las altas producciones de los hornos Missouri podrían hacernos pensar que son hornos muy ventajosos. Esto no es así por tres razones fundamentales: 1.a Requieren altas inversiones, tanto en el horno como en el equipo de carga y descarga. 2.a Son hornos fijos, que necesitan grandes cantidades de madera. Si la madera no está disponible entonces el capital invertido no rinde como es debido. 3.a Para obtener un uso eficaz de la mano de obra deben colocarse varios hornos, con lo que la demanda de madera aumenta en fuertes proporciones. Así, para cargar y descargar un horno de este tipo, son suficientes dos hombres equipados con una pala de ruedas. La ingeniería del horno Missouri es más compleja que la de los hornos de ladrillo. El diseño de la estructura armada debe cuidarse mucho ya que ha de soportar las altas temperaturas del proceso de carbonización y, habida cuenta de su ubicación, también soporta bajas temperaturas ambientales. En la provincia de Salamanca se han construido hornos de ladrillo refractario con la forma del horno Missouri obteniéndose buenos resultados con ellos. 3.2.4. Hornos metálicos españoles En toda España se han utilizado y se utilizan cada vez más hornos metálicos transportables para la producción de carbón vegetal. La ventajas de estos hornos son: 1.a Al ser transportables pueden trasladarse de un lugar a otro y como transportar carbón es más barato que transportar madera resultan más rentables que los hornos fijos. 2.a Pueden ser tamaños muy variables. 3.a Su coste es muy competitivo, resultando desde 1986 hasta la fecha la tecnología semi-industrial transportable más económica pues se pueden fabricar con chapas ya utilizadas en otros usos. El ser transportables exige que sean desmontables por lo que se construyan con chapas de metal, formando diferentes piezas denominadas virolas. El horno metálico Marcos, descrito en 1989, tiene formas y tamaños variados. En esencia su forma es de prisma octogonal o hexagonal en su base terminado en cono de planta octogonal o hexagonal. Si es octogonal consta de cuatro secciones llamadas virolas, la primera, segunda y tercera tienen forma de prisma octogonal, cada virola consta de 4 piezas. Si es hexago-

194

Los biocombustibles

nal hay cuatro virolas con tres piezas por sección. Utiliza chapas de acero nuevas o recicladas (procedentes de remolques agrícolas o cajas de camiones), con lo que su precio es económico y se recicla un material. 3.3. Tecnologías industriales Las tecnologías industriales manejan hornos continuos, de alimentación automático y en los que es preciso garantizar el suministro de leña o de otra materia prima apta para ser carboneada. Pueden trabajar con leña o con astillas de grandes dimensiones (más de 20 cm de largo). La gráfica 5.3 permite visualizar la línea de flujo de los hornos continuos. 3.3.1. Planta de carboneo Lambiotte Presenta tres grandes inconvenientes frente a los hornos descritos hasta el momento (artesanales y semi-industriales): 1.° Al ser una instalación industrial fija la madera ha de ser transportada hasta el horno. Las parvas y fosas se sitúan en el lugar mismo donde se obtiene la leña y los hornos metálicos son fácilmente transportables de un lugar a otro. Sin embargo, el horno Lambiotte debido a su tamaño y a sus características de funcionamiento no puede ser trasladado. Por tanto, antes de instalar un horno Lambiotte debe estudiarse el suministro y el coste de la madera puesta ya en el patio de apilado del horno. 2.° Al ser una instalación industrial compleja los gastos de instalación son altos y se necesita un fuerte desembolso económico inicial, por lo que se requiere un estudio económico previo a la instalación. En países en vías de desarrollo supone la adquisición de una tecnología eficiente pero cara y que en comparación con otras tecnologías requiere muy poca mano de obra. 3.° El hecho de tener un funcionamiento continuo implica la necesidad de disponer de materia prima suficiente por lo que ha de estar muy bien planificado el parque de almacenamiento y acopio de materia prima apta para ser carboneada. El hecho de que sea un proceso continuo presenta a la vez, ventajas e inconvenientes. Como ventajas puede destacarse que si se garantiza la materia prima se tiene garantizada la producción de carbón vegetal de calidad en plazos breves. Pero garantizar la materia prima es a veces problemático en un mercado tan fluctuante como el de la madera. Como mayor inconveniente podemos señalar el que si el horno se para, por no tener madera o por fallo de la instalación, se han de mantener los gastos fijos y amortizaciones que no aparecen en los procesos discontinuos más sencilllos. Su mayor ventaja es la uniformidad en la calidad del carbón obtenido. Suele ser un carbón con un 82-87% de carbono fijo, muy homogéneo y fácil de manipular. Este carbón cumple con los requisitos de la normativa europea (Francia, Bélgica y Alemania) y es útil tanto en la industria como para el consumo doméstico. Como se aprecia en la

Carbón vegetal

195

Figura 5.3. Línea de flujo para la obtención de carbón vegetal en los hornos continuos.

gráfica 5.4 donde se señala la línea de flujo del método industrial del horno Lambiotte, si la planta es completa se realiza el envasado del carbón que se envia al almacenista y/o al distribuidor. Otra gran ventaja es su alto rendimiento, llegando a producir 2.000 toneladas/ año de carbón vegetal (con un porcentaje de carbono fijo entre el 80 y el 90%) a partir de

196

Los biocombustibles

8.000 toneladas de leña con una humedad del 25% en base húmeda. Si se consigue garantizar el aprovisionamiento continuado del horno, el coste del carbón vegetal es el más rentable de todos los casos ya que el proceso está muy bien desarrollado y la mano de obra requerida (10 personas) es escasa en comparación con la producción obtenida. El gas excedentario, si es aprovechado, puede producir 11.000 kcal por tonelada de madera. Como veremos después, el propio horno genera el calor sufiente para el secado y carbonización de la leña. Al ser un proceso continuo el horno funciona 350 días al año y 24 horas diarias, teniendo en cuenta que los procesos de preparación de la leña y acondicionamiento del carbón vegetal transcurren durante 5 días a la semana y 8 horas al día. La leña que alimenta al horno no puede tener un diámetro superior a los 0,1 m. ni una longitud que exceda los 0,3 m. Su humedad debe ser inferior al 25% en base húmeda. El horno consume al año entre 6.600 y 9.000 toneladas de materia seca o bien entre 8.800 y 12.000 toneladas de madera al año con un 25% de humedad en base húmeda. Que equivalen a 8.250 y 11.250 toneladas al año de madera con un 25% en base seca. Para realizar el proceso se necesitan 300 litros/hora de agua. La instalación tiene una potencia instalada de 160 kW, siendo la potencia media de consumo unos 40 ó 60 kW. El proceso industrial de obtención de carbón vegetal a partir de leña consta de tres etapas claramente diferenciadas: 1. Recepción y preparación de la leña. 2. Carbonización continua. 3. Acondicionado y envasado del carbón vegetal. Una planta de carboneado Lambiotte consta de los siguientes dispositivos: 1. Dispositivos para la recepción y preparación de la madera: — Un tractor equipado con pala cargadora. — Un transportador de cadena de 8 · 2,5 m. — Una guillotina hidraúlica de 35 kW de potencia. — Un transportador de banda nervada de 15 · 0,5 m. — Un transportador de banda lisa de 21 · 1 m. 2. Dispositivos de carbonización continua. — Un horno Lambiotte de 24,27 m de alto, 3 m de diámetro y 5.500 kg de peso, con una estructura metálica de acceso y sostén. — Tres ventiladores para reciclaje de gases calientes, gases fríos y entrada de aire de combustión. — Una bomba de agua de 10 metros cúbicos por hora de caudal. — Una vagoneta para alimentación del horno. — Un sistema hidráulico equipado con dispositivos de accionamiento para las compuertas del horno. — Una columna de refrigeración de gases. — Dispositivos de control y seguridad que incluyen sistemas informatizados. 3. Dispositivos para el acondicionamiento y envasado del carbón vegetal. — Transportador de banda nervada de 4,5 × 0,5 m. — Criba de desempolvado, selección y molino de carbón.

Carbón vegetal

197

Figura 5.4. Línea de flujo método industrial de carbonización (horno Lambiotte).

Transportador de banda nervada de 10 × 0,5 m. Distribuidor y transportador de llenado de silos de 7,5 × 0,5 m. Transportador de extracción de silos. Tres silos metálicos agrícolas de 30 mc de capacidad, para almacenar carbón. — Un silo de 90 mc, para finos de carbón. — Transportador de banda nervada de 6 × 0,5 m. — — — —

198

Los biocombustibles

— Tolva de recepción. — Dos envasadoras semiautomáticas para pesaje y envasado. — Cosedora de sacos. — Máquina paletizadora. — Transportador de banda lisa para máquina de sacos de 5 × 0,5 m. — Dispositivo de introducción de sacos en la cosedora. — Dispositivo para introducción de papel rizado en la costura. — Compresor de aire. — Cuadros de extinción de incendios. El horno Lambiotte, la pieza fundamental del proceso, es un horno cerámico-metálico que realiza una carbonización continua. A veces, si la leña viene con humedades mayores del 40% se la somete a un proceso de secado antes de introducir la leña en el horno. La madera se introduce por la parte superior del horno donde la temperatura es de unos 150 °C, a medida que va bajando la leña dentro del horno la temperatura de éste va aumentando y el calor desprendido por la leña que está más abajo seca a la que está por encima. Por tanto, tras la zona de alimentación aparece una zona de secado (con una temperatura entre los 150 y 600 °C). La leña sigue cayendo por gravedad hasta llegar a la zona de carbonización (con una temperatura que puede alcanzar los 1.000 °C). Por último, cuando la leña ha pasado a ser carbón vegetal, aparecen las zonas de enfriamiento (con temperaturas entre los 250 y 300 °C). El éxito de esta tecnología radica en que el carbón está muy poco tiempo a altas temperaturas, rápidamente pasa a la zona de enfriamiento. El carbón es recogido, ya enfriado, en la parte inferior del horno. Es importante controlar la emisión de gases piroleñosos, ya que son inflamables. Parte de los mismos pueden ser utilizados para obtener gases y compuestos químicos o ser quemados en una antorcha y otra parte puede ser utilizada para mantener la temperatura de la carbonización. Un quemador, situado junto al horno y que toma aire de la atmósfera, realiza la misión de inflamar los gases cuando no se dispone de equipo de aprovechamiento de los mismos. También entra aire atmosférico por la parte inferior del horno, mezclándose con los gases y vapores; pero este aire no debe quemar la leña hasta llegar a la zona de carbonización. La madera se mantiene a nivel constante en el interior del horno gracias a un dispositivo de rayos gamma que controla su alimentación. A su vez, el carbón vegetal, es extraído del horno de forma continua y automática. A medida que sale el carbón entra la leña. Por tanto, las fases por las que pasa la materia prima en el horno (secado de leña, carbonización y aclimatación de carbón) se suceden en su interior; no hay una barrera física de separación pues son las temperaturas de los vapores piroleñosos las que separan las fases. Todo el control del proceso lo puede realizar un ordenador. Un hombre es suficiente para controlar el ordenador del horno, alimentar el horno y manejar los mecanismos de salida del carbón.

4. El mercado del carbón vegetal en España El consumo y la comercialización del carbón vegetal en España siguen vías complejas y están poco controlados debido sobre todo a la existencia de productores tem-

Carbón vegetal

199

poreros cuya actividad es difícil de cuantificar. Las zonas donde más se carbonea son Extremadura, Castilla-León (especialmente Salamanca, Zamora y Ávila), Andalucía, Castilla-La Mancha, Navarra, Galicia y Levante. Los carboneros obtienen el carbón vegetal sobre todo a partir de la leña de especies frondosas duras, destacando la encina y el alcornoque. También se carbonean las coníferas (pinos) y cada vez más, los tocones de eucaliptos. Con las ramas pequeñas procedentes del «olivo» y de la «tarama» de la encina, se obtiene el picón y el cisco, que son consumidos, en su mayor parte, en las zonas próximas al lugar de carboneo. La leña de la que se obtiene el carbón se consigue de muy diversas formas y a unos precios muy diferentes. A veces los almacenistas y exportadores financian al carbonero las operaciones técnicas y comerciales. Otras veces, al ser los gastos de financiación bajos, el carbonero se autofinancia. En algunos casos el mismo carbonero es quien realiza las operaciones selvícolas de las que se obtiene la leña (podas, limpias, claras, desmoches, olivos, taramas) y se queda con la misma, sin cobrar jornal. En otras ocasiones el carbonero compra la leña ya cortada o bien pacta con el propietario del monte el precio de la misma dependiendo de su tamaño y situación, comprometiéndose a efectuar parte de los trabajos de mantenimiento de la dehesa. El carbón se vende a granel o envasado. El que se vende a granel va destinado al mayorista, usuario final o la exportación. El envasado tiene tres destinos: — El minorista, que puede vender al mayorista o al consumidor a través de unos comercios que se ocupan de otras actividades (ferretería, supermercado, bazar) o comercios especializados (gasolineras y carbonerías). — El mayorista. — La exportación directa. En este caso el envasador es a la vez el exportador o bien lo vende al exportador. El carbón que llega al mayorista (procedente del envasador o del minorista, que a veces pueden ser el mismo) puede ir al consumo interior en capitales de provincia de baja población o incluso a las grandes urbes. En éstas se vende en supermercados, gasolineras y carbonerías. Se hace especial hincapié en vender el carbón en las zonas residenciales cercanas a Madrid o a otros grandes núcleos de población españoles donde abundan las urbanizaciones y chalets con barbacoas y/o chimeneas individuales. Los precios más altos los alcanza el carbón envasado vendido en pequeñas tiendas de ferretería y jardinería y gasolineras y los más bajos son para el carbón a granel en núcleos rurales. Debido a la falta de control citada, los datos publicados y en las estadísticas del consumo de carbón vegetal en España son menores que los datos reales. El consumo de carbón vegetal en España ha ido en aumento desde 1970. Las empresas que existen en el mercado español (y que exportan e importan carbón vegetal) están bien establecidas. Fabrican y compran leña y carbón vegetal, conocen perfectamente los canales de distribución en España, Europa y Sudamérica, la materia prima (la leña), las tecnologías y el producto final (el carbón). La demanda de carbón vegetal se divide en dos grandes grupos: Demanda de carbón vegetal y demanda de briquetas de carbón vegetal. El carbón vegetal es demandado a su vez por: Usos domésticos (Para barbacoas y calefacción), usos industriales (diferentes del carbón activo) y uso como carbones activos.

200

Los biocombustibles

Figura 5.5. Cadena de distribución comercial del carbón vegetal.

Las briquetas de carbón vegetal son demandadas únicamente por el sector industrial aunque, a veces, en algunos sacos-envases de 3 kg de carbón vegetal para barbacoas se añadan briquetas (de 1 a 5) para aprovechar la carbonilla. El consumidor de carbón para barbacoa generalmente no quiere estas briquetas.

Carbón vegetal

201

4.1. Usos domésticos En España (y en el Sur de Europa) la demanda de carbón vegetal para usos domésticos se destina en un 98,5% para barbacoa y en un 1,5% para calefacción. Centrándonos en su uso para barbacoa este puede ser distribuido en: 1. Grandes superficies generalistas (hipermercados). 2. Grandes superficies especializadas en bricolage, ferretería, jardinería y enseres para chalets o viviendas unifamiliares y adosados. 3. Pequeñas ferreterías y tiendas de bricolage y/o jardinería. 4. Carboneros y expendedores de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Son las antiguas carbonerías que se han transformado en vendedrores de carbón mineral, carbón vegetal, leña, gas-oil, butano, ... 5. Gasolineras. El carbón para uso en barbacoa suele venderse envasado o a granel. El envase más empleado es un saco de papel conteniendo 2 ó 3 kg de carbón vegetal. A veces el envase de 3 kg se sustituye por un envase de 20 litros, este cambio es empleado cuando el carbón vegetal tiene baja densidad (carbón de pino por ejemplo) y no llega a pesar los 3 kg. Otras veces, para llegar a los 3 kg en el envase, se añade alguna briqueta de carbón vegetal por que estas briquetas son más densas que el carbón. Los carboneros venden carbón a granel. El escaso carbón empleado en calefacción (brasero) suele ser vendido por el productor directamente o por el carbonero. No suele estar envasado por lo que su precio es menor, y se vende a granel. 4.2. Usos industriales El carbón vegetal para usos industriales diferentes al carbón activo se suele vender a granel, por que es más barato y se venden grandes cantidades. Se utiliza en la siderurgia, refino de acero y ferro-aleaciones; resultando insustituible en acero de muy alta calidad. También en la industria química (aunque en cantidades muy variables) para sulfuro de carbono, ácido acético y acetileno, carburo de calcio, cloruro y/o policloruro de vinilo. En la fabricación de ciertos silicatos artificiales y ciertos vidrios de calidad también se emplea el carbón vegetal. 4.3. El mercado de los carbones activos Este uso merece un estudio aparte de otros usos industriales debido al alto precio de venta de los carbones activos. En este uso el carbón vegetal es la materia prima que debe ser elaborada para obtener otros productos finales, los carbones activos. Es importante el plural, pues no existe un único carbón activo, sino muchos carbones activos, según se activen para usos concretos. El uso principal del carbón activo es como filtro de muy alta calidad empleado en mascarillas, filtros de depuradoras de aguas, plantillas de los pies, filtros de equipos de aire acondicionado, filtros para la industria de energía nuclear, filtro de la industria química en general.

202

Los biocombustibles

Una de las empresas españolas líder en ventas de filtro de carbón activo en dispositivos (es decir filtro diferente del que se vende en bolsas, plantillas de los pies y usos químicos) según datos facilitados recientemente, afirma que sus ventas de filtros de carbón activo son: — 10% en filtros para dispositivos de aire acondicionado. — 90% en filtros para agua. Las otras empresas vendedoras de carbón activo en España de mayor relevancia venden el carbón activo en bolsas, para su uso posterior o en recipientes muy especificados para usos muy variados de filtraje en la industria química, o como catalizadores. A precios elevados, con un control de calidad alto y el carbón activo se fabrica fuera de España. Son multinacionales de la industria química. Las cantidades son menores, variables y difíciles de evaluar pues se almacenan compras y ventas de años anteriores. Sus calidades son variables y sus precios no son uniformes. El valor añadido del carbón activo es muy alto, las tecnologías de obtención están patentadas y dependiendo de la calidad final deseada así es el coste de la inversión.

Bibliografía ASINEL. (1992): La biomasa y sus aplicaciones energéticas, ASINEL, Madrid. CIEMAT-Junta de Castilla y León. (1989): La biomasa como fuente de energía y productos para la agricultura y la industria. CIEMAT, Madrid. Elena, M. et al. (1987): El carbón de encina y la dehesa. Inst. Nac. de Investigaciones Agrarias. Madrid. FAO. (1983): Métodos simples para fabricar carbón vegetal. FAO. Roma. Grassi, G. et al. (1992): Biomass for energy, industry and environment. 6th EC Conference, Elsevier Applied Science, Amsterdam. IFIE. (1960): Características físico-mecánicas de las maderas españolas. Instituto Forestal de Investigaciones y Experiencias, Madrid. Kollman, F. (1959): Tecnología de la madera y sus aplicaciones. Ministerio de Agricultura-Instituto Forestal de Investigaciones y experiencias. Madrid. Marcos Martín, F. (1984): Estudio de la aplicación de un modelo de planificación energética a la región castellano-leonesa. Tesis doctoral en la ETSI de Montes de Madrid. Marcos Martín, F. (1985): «Utilización del monte con fines energéticos,» Rev. El Campo, 98:4953. Banco de Bilbao. Madrid. Marcos Martín, F. (1989): El carbón vegetal, propiedades y obtención. Mundi-Prensa, Madrid. Marcos Martín, F. (2001): Biocombustibles sólidos de origen forestal. AENOR. Madrid.

6 Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

Francisco Marcos Martín

ÍNDICE 0. Introducción. 1.

Generación de energía eléctrica con biomasa procedente de plantaciones energéticas. 1.1. Introducción. 1.2. Los complejos agroeléctricos.

2.

Generación de energía eléctrica con biomasa residual.

3.

Ciclo energético para producir electricidad con biocombustible. 3.1. Componentes principales de una instalación.

4.

Procesos energéticos para obtener electricidad con biocombustibles. 4.1. Procesos de combustión y gasificación. 4.2. La gasificación. 4.3. Digestión anaerobia.

5.

Sistemas de producción de energía eléctrica utilizados en las centrales térmicas de biomasa.

6.

Costes de las tecnologías de obtención de energía eléctrica con biomasa.

Bibliografía.

0. Introducción Cuando se tratan temas de energía no sólo conviene señalar la cantidad de energía si no también la forma en la que ésta se presenta. No todas las energías son de igual calidad, en el mercado no se valora igual un kWh eléctrico, colocado en la red de alta tensión que 860 kcal encerradas en petróleo, aunque físicamente 1 kWh equivale a 860 kcal. Se consideran energías de calidad los combustibles y la energía eléctrica. Dentro de los combustibles la energía de más calidad son los combustibles líquidos, debido a que el líquido ocupa el volumen del recipiente que le contiene con lo que se mueve muy bien con bombas. La energía eléctrica, por su parte, presenta grandes ventajas (Marcos, 2001): 1. No contamina y es limpia en el lugar de su uso. 2. Es cómoda. Basta en muchas ocasiones apretar un botón para que todo el proceso se ponga en funcionamiento. 3. Se transporta rápidamente, aunque con pérdidas y provocando impacto ambiental. Si la línea ya está trazada es una ventaja. 4. Se dispone de unas tecnologías rápidas, muy amplias y fiables para su conversión y aprovechamiento en otras formas de energía. Cada vez hay más dispositivos en el mercado que aprovechan la energía eléctrica. Aunque también tiene otros inconvenientes: 1. Contamina en el lugar donde se genera. 2. Se transporta con pérdidas y provocando impacto ambiental. 3. Es difícil y cara de almacenar. Es conveniente obtener a partir de la biomasa, que es un combustible renovable, energía eléctrica. Esto se realiza, como señala la gráfica 6.1, mediante: — Combustión de biocombustible sólido en parrilla fija, móvil, lecho fluidizado. — Combustión de biocombustible líquido. — Combustión de un biocombustible gaseoso en un motor de combustión interna o en un motor de combustión externa como el motor Sterling. — Gasificación de un combustible sólido o líquido usando posteriormente estos gases para producir energía eléctrica. Para estudiar la rentabilidad de la biomasa como combustible debe compararse el precio de las pta/kcal entre la biomasa y otros combustibles, si este precio es menor

206

Los biocombustibles

Gráfica 6.1. Tecnologías de obtención de energía eléctrica con biocombustibles.

será interesante realizar centrales térmicas que funcionen con biomasa, como ocurre en Canadá, el Norte de Estados Unidos, Suecia, Finlandia, Noruega, ... En general podemos afirmar que si se consigue comprar un kilogramo de astillas al 25% de humedad en base seca, en la actualidad (enero 2002) a menos de 3,80 pta. es rentable producir energía eléctrica con astillas de madera, si la potencia instalada es superior a 8-10 MWe. De todos modos, hay que estudiar cada caso particular. Por motivos ecológicos, económicos y sociales cada vez abundan más en todo el mundo las centrales térmicas que utilizan como combustible la biomasa. Son especialmente abundantes en Estados Unidos, Canadá, Suecia, Noruega y Finlandia. Los motivos ecológicos que influyen en esta realidad son: 1. La biomasa, especialmente si es madera, no tiene o tiene muy poco azufre en su composición por lo que emite pequeñas cantidades de anhídrido sulfuroso, que es uno de los compuestos que al oxidarse provoca la lluvia ácida. 2. La biomasa, especialmente si es madera, no tiene compuestos clorados que produzcan dioxinas. Si se trata de residuos sólidos urbanos sí que aparece este problema. 3. La biomasa, especialmente si es madera, tiene poco nitrógeno. Si su combustión es correcta apenas produce NOx. 4. El ciclo de dióxido de carbono, al referirnos a la combustión de biomasa plantada se cierra o llega a ser negativo ya que el anhídrido emitido a la atmósfera es el mismo que absorve la plantación en su fotosíntesis, e incluso es más si tenemos en cuenta el carbono fijado en las raíces que no se extraen.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

207

Los motivos económicos que hacen posible este tipo de centrales son el encarecimiento de otras centrales de generación de energía eléctrica. Las centrales nucleares se encarecen por motivos de seguridad, las térmicas por motivos del encarecimiento de los sistemas de filtrado, depuración de aguas, ... y las hidroeléctricas por motivos económicos derivados del impacto ambiental que originan (ocupación de fértiles vegas, ocupación de zonas de alto valor histórico o cultural que encarecen la construcción de la presa, anegación de terrenos que implica migraciones humanas, ...). Los motivos sociales aparecen en los llamados complejos agroeléctricos, que cada día se ven con mejores perspectivas, si bien hay que señalar que en la actualidad son sólo excelentes proyectos. Se proponen para fijar la población rural evitando éxodos a las grandes ciudades con lo que esto conlleva (problemas de inadaptación, delincuencia, drogradicción, ...) y mantener o mejorar su calidad de vida es preciso buscar una salida a los productos agrícolas que no sea la alimenticia ya que hay excedentes de alimentos. Este planteamiento a veces carece de solidaridad, ya que hablar de excedentes de alimentos cuando miles de niños mueren de hambre en el Sur parece una contradicción egoista y de difícil explicación, en una sociedad que se dice «avanzada». Nuestro avance parece ser tecnológico; pero tal vez no tan humano. Falta una ética de valores basada en la solidaridad y el amor y no en el egosimo. Siguiendo el razonamiento anterior: ante la búsqueda de una salida no alimenticia a los productos agrícolas se plantea su uso energético. Con la gran ventaja, como señala Jesús Fernández, de que los productos alimenticios tienen un consumo limitado pero los consumos energéticos parece que son casi ilimitados. Aquí también debemos señalar que, claramente, cuanto más energía se consuma mayor será el aumento de entropía y esta es la gran motivación científica del impacto ambiental. La biomasa forestal utilizada para generar energía eléctrica puede proceder de plantaciones o bien ser biomasa residual (de industrias de primera o segunda transformación de la madera, o de residuos sólidos urbanos). La biomasa en general, como energía renovable requiere modernas tecnologías, estando sus recursos distribuidos de forma no uniforme. Esto hace que sea poco atractiva para el sector eléctrico, aún más si tenemos en cuenta la necesidad de un contacto directo con una multitud de propietarios distintos donde se distribuye este recurso. Pero dentro de lo que se puede denominar biomasa, se encuentran los RSU (aunque actualmente muchos expertos los calsifican como un tipo de energía renovable distinta de la biomasa) los cuales no adolecen de los problemas que acabamos de citar si consideramos su generación en grandes ciudades en las cuales deben ser gestionados por el ayuntamiento. Esto supone un punto muy importante frente a la biomasa pues manteniendo muchos de sus beneficios para la producción de energía eléctrica, los RSU no tienen los problemas más importantes de la biomasa frente a las empresas del sector eléctrico. Además, esta energía renovable se hace cada día más necesaria si se considera como un recurso autóctono que supone a su vez una mejora en la depuración de residuos urbanos. Hay que añadir un hecho particular de la biomasa, su aprovechamiento en centrales térmicas la hace más parecida al actual sistema de generación de electricidad disminuyendo los problemas antes mencionados respecto a la calidad y seguridad del suministro. A esto debe añadirse que en las grandes ciudades existen sistemas de

208

Los biocombustibles

gestión de los RSU muy desarrollados con una reducción en los gastos de recogida de los mismos y por tanto una disminución del precio de la unidad energética producida. Otro punto que mejora los precios de este tratamiento es la posibilidad de cogeneración así como la generación de subproductos debidos al reciclaje y recuperación como son el vidrio, el aluminio, el papel, el compost, ... Una tabla de los factores sociales y medioambientales en los que incide positivamente el uso de la biomasa urbana en la generación de energía eléctrica es la siguiente (tabla 6.1): TABLA 6.1 Factores sociales y medioambientales que inciden en la generación de energía (García Benedicto y Marcos) Sensibilidad

Emisiones de gases.

Residuos sólidos generados en la incineración. Limitación de recursos. Alto desempleo. Alta concentración de residuos en grandes ciudades. Incendios en vertederos y posibilidad de infecciones o plagas. Dependencia energética.

Respuesta

Baja emisión de CO2 y emisiones controladas de otros gases (mayor control que en vertederos). Baja generación de cenizas. Generación de recursos debida a la actividad humana. Empleo en las grandes ciudades de grupos marginales. Disminución del volumen y toxicidad de estos residuos. Eliminación del riesgo de incendios y de problemas de infecciones o plagas. Recursos autóctonos.

Uno de los problemas actuales en la generación de energía eléctrica es la emisión de gases (como el CO2) que conforman el llamado «efecto invernadero». Ante este problema se presentan como alternativa las llamadas energías renovables, entre las que destaca por su importancia la energía de la biomasa. Así, la fijación de CO2 mediante la fotosíntesis y la producción de biomasa, según estimaciones de Grassi y Bridgwater (1990) citadas por Carrasco (1990) es la siguiente: — 0,2 ha de terreno producen 1 tonelada de biomasa. — Cuando la tonelada de biomasa se quema en una central térmica se producen 1,3 toneladas de CO2 que a su vez son fijadas por las 0,2 ha de terreno, cerrando así el ciclo. En la función fotosintética el oxígeno quemado en la central térmica se devuelve a la atmósfera. Por otro lado, las emisiones de dióxido de carbono en distintas tecnologías para obtener energía eléctrica fueron evaluadas en 1989 por la Agencia Internacional de la Energía y recogidas por Juan Carrasco (1990) (tabla 6.2). La biomasa agroforestal, como se presenta en la tabla siguiente, puede ser transformada en biocombustibles sólidos, líquidos y gaseosos. A su vez con estos biocombustibles puede obtenerse energía calorífica que puede ser transformada en energía mecánica y energía eléctrica.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

209

TABLA 6.2 Emisiones de CO2 en las tecnologías eléctricas Emisiones por energía producida (Toneladas por GWh = 106 kWh) Tecnologías

Planta Convencional de carbón . . . . . . . Planta Moderna de carbón (AFBC) . . . . Planta de petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . . Planta de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversión Térmica Océano . . . . . . . . . Geotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Minicentrales hidráulicas . . . . . . . . . . . . Energía eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solar fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solar térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Madera (aprovech. sostenido) . . . . . . . .

Extracción de combustible

Construcción

Operación

Total

1,0 1,0 — — NA 0,3 NA NA NA NA NA –1.509,1

1,0 1,0 — — 3,7 1,0 10,0 7,4 5,4 3,6 3,1 2,9

962,0 960,9 726,2 484,0 300,3 55,5 NA NA NA NA NA 1.346,3

964,0 962,0 726,2 484,0 304,0 56,8 10,0 7,4 5,4 3,6 3,1 –159,9

— No existentes o datos inadecuados para el análisis, la contribución estimada es < ó = 1%. NA = No aplicable.

Con las astillas de madera se puede obtener energía eléctrica ya que al quemarse las astillas producen calor que calienta un fluido como es el agua transformándolo en vapor. A su vez, este vapor es introducido en una turbina de vapor que mueve el eje de un generador eléctrico y produce, al final del proceso, energía eléctrica. Estudios detallados de los biocombustibles sólidos y su problemática han sido analizados recientemente por Marcos y otros (2001). Los problemas de los biocombustibles líquidos son descritos por varios autores: «Para el caso del girasol el precio de 1 l de aceite desgomado está alrededor de las 75 pta. Teniendo en cuenta que para fabricar 1 l de biodiesel se gasta 1 l de aceite y 0,087 l de metanol, se deduce fácilmente que el coste de producción del biodiesel va a venir influido principalmente por el coste del aceite... si el precio del aceite es 95 pta/l (en la actualidad es mayor)... Tomando como base un precio del gasóleo A de 95 pta/l (de las que 43,2 pta son del impuesto especial de hidrocarburos, 25,5 pta/l son debidas al coste de producción, 13,2 al coste de distribución y benerficio industrial y 13,1 al IVA), para que el biodiesel pudiera ser competitivo frente al gasoil, desde el punto de vista econóBiomasa agroforestal: Madera, corteza, granos, tallos, ... procedente de:

Plantación energética agrícola Plantación energética forestal Residuos agrícolas (campo) Residuos forestales (monte) Residuos de industrias agro-alimenticias Residuos de industrias forestales de 1.a transformación Residuos de industrias forestales de 2.a transformación

Biocombustibles

Sólidos: Leñas, astillas, pélets, briquetas, carbón vegetal, briquetas de carbón vegetal, biomasa sólida, ... Líquidos: Alcoholes, aceites, metilésteres, aditivos, ... Gaseosos: Biogás

210

Los biocombustibles

mico y en el supuesto de que se le exonerara totalmente de los impuestos, el coste máximo al que podría salir el biodiesel sería de 68,7 pta/l y si se le aplicara el 10% del impuesto especial actual (4,32 pta/l) el coste resultante sería de 64,38 pta/l. Considerando el coste de la materia prima, se deduce claramente que sólamente el coste del aceite (85 pta/l) ya supera con creces el coste máximo aplicable al producto (biodiesel) incluso considerando la exención total del impuesto especial, y el posible beneficio que se podría obtener por la venta del glicerol que se obtiene como subproducto (unas 5 pta por cada litro de biodiesel producido)» (Fernández, 1998). Por otro lado, los procesos de transformación de la biomasa en energía pueden ser clasificados según la tabla 6.4: TABLA 6.4 A partir de biomasa seca

A partir de biomasa húmeda o seca

Procesos termoquímicos

Procesos bioquímicos

Combustión

Calor Electricidad

Fermentación Alcohólica

Metanol

Gasificación

Gas pobre Gas de síntesis

Esterificación

Metiléster

Pirólisis

Carbón vegetal Aceite de pirólisis Brea vegetal

Digestión anaerobia

Metano

1. Generación de energía eléctrica con biomasa procedente de plantaciones energéticas 1.1. Introducción Las plantaciones energéticas para producir energía eléctrica pueden ser agrícolas o forestales. Son los llamados «complejos o plantaciones agroeléctricas». La especie más estudiada en España ha sido el cardo (Cynara cardunculus). Las plantaciones forestales energéticas son de turnos muy cortos. Las especies empleadas suelen ser de la familia de las Salicaceas (chopos y sauces), Myrtaceas (eucaliptos) y también coníferas (pinos). Los chopos, especialmente clones seleccionados hibridados, llegan a producir grandes cantidades de biomasa. En España podrían plantarse en zonas húmedas, llegando a las 20 t/ha-año en turnos de cinco años y marcos de plantación de 2m.2m, 2m.1m, 2m.0,5m e incluso 1m.1m. Las condiciones de mecanización de los trabajos de plantación y cosecha son las que influyen en el marco de plantación. En las Myrtáceas los eucaliptos son las especies de crecimiento rápido que se proponen para producir grandes cantidades de biomasa. LLegan a producir (Brasil) más de 40 mc/ha-año de materia seca. Sin embargo, en nuestras latitudes, requieren abundante agua. Hay muchas especies de eucaliptos, por lo que es fácil encontrar una que se adopte a las condiciones del terreno; pero no todas ellas son de crecimiento rápido.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

211

Dentro de las especies forestales coníferas utilizadas en la repoblación para generar biocombustibles, las mayores posibilidades corresponden en España al introducido pino insigne (Pinus radiata D. Don) con 8-10 t/ha-año, con turnos de 30-40 años como máximo; y al pino rodeno (Pinus pinaster Sol.) con 8 t/ha-año (turnos de 80-100 años). Con el pino insigne en Chile y Brasil se llegan a superar las 35 t/ha-año. Uno de los problemas del pino insigne es que soporta mal las heladas, especialmente las heladas tempranas y tardías. Por otro lado los pinos tienen una madera resinosa, que favorece la rápida combustión de sus astillas. La obtención de la biomasa en estas plantaciones es mucho más económica que la extracción de biomasa residual de los montes. Los motivos son: 1. La corta se realiza a hecho y se aprovecha toda la biomasa existente. 2. Se situan en lugares que no suelen tener mucha pendiente. 3. En las plantaciones se pueden eliminar los obstáculos con lo que disminuye la rugosidad del terreno. 4. La plantación se puede mecanizar fácilmente. 5. Abunda en el mercado la maquinaria empleada para realizar este tipo de aprovechamientos, consiguiendo muy altos rendimientos. TABLA 6.5 Comparación plantaciones agrícolas con forestales en España Forestales (Chopo) Ventajas

Inconvenientes

Sistemas de recolección conocidos.

Requieren agua.

Agrícolas (Cardo) Ventajas

Inconvenientes

No requieren grandes cantidades de agua

Sistemas de recolección menos experimentados

No presenta problemas de contaminación en la combustión

Pueden utilizar amplios terrenos agrícolas marginales

La biomasa producida es muy heterogénea

Son una nueva orientación de la selvicultura

Son una nueva orientación de la agricultura

Puede presentar problemas de contaminación en la combustión

1.2. Los complejos agroeléctricos Estos complejos están basados en la biomasa producida por el cardo (Cynara cardunculus L.), estudiados con profusión por Jesús Fernandez y de los que hemos hablado en el capítulo 2 de este libro. Algunos datos de experiencias realizadas durante el período 1993-96 en Andalucía (Sanlúcar La Mayor, Sevilla), financiados por la empresa ABENGOA y dirigidos por Jesús Fernández (1998) son los siguientes (tabla 6.6). En cuanto a los costes de producción de biomasa el mismo autor cita los siguientes datos (tabla 6.7).

212

Los biocombustibles TABLA 6.6 Gastos de implantación del cultivo de cardo, realizados durante el primer año (pta/ha, Jesús Fernández, 1998) Operación

Labor

Materiales

Total

700 kg/ha; 9:18:27 — — 5 kg/ha — — —

1.000 7.000 4.000 2.800 800 4.000 1.930

21.000 — — 5.000 5.495 — 1.740

22.000 7.000 4.000 7.800 6.295 4.000 3.670

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21.530

33.235

54.765

Abonado . . . . . . . . . . . . . . . . Alzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 pases de grada . . . . . . . . . Siembra . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicación de herbicida . . . . 2 pases de cultivador . . . . . . 1 aplicación de insecticida . .

Anualidad de amortización en 10 años al 8%

8.162

TABLA 6.7 Coste de producción de biomasa de cardo (Cynara cardunculus L.), durante los años siguientes al de implantación, sin incluir la recolección ni el transporte. (pta/ha, Jesús Fernández, 1998) Operación

Labor

Materiales

Total

Abonado . . . . . . . . . . . . . . . 400 kg/ha 15:15:15 2 pases cultivador . . . . . . . — 3 tratam. insecticida . . . . . . —

800 4.000 5.800

12.000 — 5.200

12.800 4.000 11.000

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.600

17.200

27.800

Amortización de la implantación del cultivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.162

Coste total de producción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35.962

Por su interés transcribimos las «estimaciones económicas y medioambientales» de este tipo de cultivos, ya que consideramos al profesor Fernández una de las autoridades más destacadas en los estudios de biomasa energética en España. «Para el caso de la biomasa picada, suponiendo un precio de compra a pie de central de 1,5 pt/th de PCI (análogo al del carbón de importación para centrales del interior), equivalente a 4,5 pt/kg (con su humedad natural), para una producción de 23,5 t/ha (con el 24,3% de humedad) el beneficio que podría obtener el agricultor (descontados los costes de cultivo, recolección y transporte) sería del orden de las 40.000 pt/ha en condiciones de secano, sin tener en cuenta las ayudas de la PAC. Si se tuvieran en cuenta dichas ayudas y suponiendo que el cultivo de cardo se realizara en tierras retiradas de la producción de cereales, los beneficios serían todavía mayores, ya que además de la subvención correspondiente, se evitarían las labores de mantenimiento del barbecho (cifradas en unas 12.000 pta/ha anuales) lo que supondría además un ahorro adicional» (1998). A estos datos debemos añadir que en un futuro hay que tener en cuenta las negociaciones que, a nivel europeo, se mantienen con la AGENDA 2000 y que afectarán a la agricultura española.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

213

La relación entre la potencia de una central termoeléctrica y la superficie necesaria para producir la biomasa lignocelulósica que la alimente durante todo un año (8.000 horas de funcionamiento) sobre la base de una producción anual de 23,5 t/ha de biomasa con un 24,3% de humedad (PCI=2680 kcal/kg), suponiendo la equivalencia de que 1 kg de biomasa produce 1 kWh (rendimiento del 32,5%) es la siguiente (tabla 6.8): TABLA 6.8 Potencia de la central MW

1 5 10 20 25

Superficie necesaria ha (Sc)

Equivalente circular de la superficie geográfica (20.Sc)

ha

ha

Radio (km)

340 1.700 3.400 6.800 8.500

6.800 34.000 68.000 136.000 170.000

4,6 10,4 14,7 20,8 23,3

Para determinar la superficie necesaria para generar energía eléctrica con biomasa podemos utilizar la fórmula que se presenta a continuación. Si denominamos: POT = Potencia eléctrica instalada de la central térmica que deseamos construir, medida en MWe. t = Tiempo de funcionamiento de la central en un año, en horas. η = Rendimiento de la central, en tanto por uno, adimensional. PR = Productividad del cultivo, o cantidad de residuos, medidos en t/Ha (a la misma humedad en que se va a considerar el poder calorífico inferior). PCI = Poder calorífico inferior, medido en kcal/kg (la humedad a la que se mide el PCI debe ser la misma a la que se considera la productividad). La superficie necesaria (SUP) medida en hectáreas será: SUP = (POT.t.3,6.109) / (η.PROD.PCI.4,18.106) = = (POT.t.0,861.103) / (η.PROD.PCI) [1] Ejemplo: Sean POT = 5 MWe, t = 8000 horas y η = 0,30, PR = 12 t/ha a una humedad del 32% en base húmeda. PCI = 3.000 kcal/kg a una humedad del 32% en base húmeda. La superficie necesaria (SUP) medida en hectáreas será de 3.189,79.

2. Generación de energía eléctrica con biomasa residual Las biomasas residuales pueden producirse en los aprovechamientos forestales y agrícolas, en las industrias agrícolas, forestales y ganaderas y en las ciudades. Debido a su concentración el coste de la biomasa residual de industrias forestales es más económico que el de los aprovechamientos forestales, que está disperso en el monte. Las biomasas de las industrias forestales se han utilizado y utilizan en todo el mundo para generar calor y electricidad debido a su escaso coste; para el dueño de la industria son un residuo y sus buenas características en la combustión.

214

Los biocombustibles

Para estudiar la viabilidad de una central térmica a partir de biomasa residual deben estudiarse los parámetros económicos clásicos de toda inversión: — Valor actualizado neto (VAN). — Tasa interna de retorno (TIR). Distinguiendo en el TIR el TIR del proyecto del TIR del capital y del TIR del accionista. — Tiempo de retorno de la inversión o pay-back. Pero estos estudios económicos no deben ser los únicos que deben emplearse ya que han de considerarse los costes de eliminación de residuos, que si no se realiza la central pueden resultar costosos y peligrosos para las empresas. Este es el caso de las empresas del sector de la madera, donde los residuos (serrines, astillas, ...) no pueden ser almacenados cerca de las fábricas pues presentan graves problemas de autoignición. Por tanto, la generación de energía eléctrica con este tipo de residuos convierte al residuo en un recurso y aunque no sea tan rentable como adquirir energía a la red eléctrica puede resultar más conveniente por los costes evitados. Además, cada vez, será más caro almacenar este tipo de residuos en la naturaleza, llegando a estar prohibido en legislaciones muy conservacionistas. Esta situación es debida a las características del sector eléctrico. Entre ellas cabe destacar la calidad de servicio y la seguridad de suministro. Además debe asegurarse que el consumidor tendrá disponible la energía necesaria en todo momento. Esto da lugar a ciertas reticencias hacia la incorporación masiva de nuevas tecnologías que no estén suficientemente probadas. Por otro lado el sector eléctrico tiende a la concentración, fundamentalmente en los sistemas de generación, entendiendo por concentración la colocación en un lugar determinado de una potencia eléctrica mucho mayor a la que puede colocarse con energías renovables en un lugar determinado actualmente (una central nuclear media puede tener 1.000 MW e incluso situar juntos dos grupos de 1.000 MW, mientras que las centrales térmicas de biomasa o RSU se encuentran en el rango de los 5 a 30 MW y los aerogeneradores comerciales de mayor potencia en el mercado español se sitúan en 500 kW). Para determinar la cantidad de biomasa necesaria para generar energía eléctrica con biomasa podemos utilizar la fórmula que se presenta a continuación. Si denominamos: POT = Potencia eléctrica instalada de la central térmica que deseamos construir, medida en MWe. t = Tiempo de funcionamiento de la central en un año, en horas. η = Rendimiento de la central, en tanto por uno, adimensional. BI = Cantidad de biomasa, medida en kg/año (a la misma humedad en que se va a considerar el poder calorífico inferior). PCI = Poder calorífico inferior, medido en kcal/kg (la humedad a la que se mide el PCI debe ser la misma a la que se considera la productividad). La biomasa (BI) medida en kg/año será: BI = (POT.t.3,6.109) / (η.PCI.4,18.103) = = (POT.t.0,861.106) / (η.PCI) [2] Si BI la deseamos obtener en toneladas/ año (t/año) sería:

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

(POT.t.3,6.103) / (η.PCI.4,18) = (POT.t.0,861.103) / (η.PCI)

215

[3]

Ejemplo: Sean POT = 5 MWe, t = 7800 horas, η = 0,30, PCI = 3400 kcal/kg a una humedad del 27% en base húmeda. La cantidad de biomasa necesaria serán 32.930 t/año, al 27% de humedad.

3. Ciclo energético para producir electricidad con biocombustibles El aprovechamiento energético se puede traducir en uno o varios de los siguientes vectores: agua caliente, vapor y energía eléctrica. Para posibilitar una aplicación térmica es imprescindible que en las proximidades existan un usuario para la misma. Antes de analizar datos concretos revisemos las etapas de la incineración. Cuando la biomasa (de cualquier tipo, pero en especial la lignocelulósica) es calentada y mezclada con aire, debido a la combustión, se obtiene calor y una serie de productos de combustión que son función de la composición química de la biomasa de partida. En esencia el esquema es simple: Biomasa + (Carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre, otros)

Aire (Nitrógeno, oxígeno, otros)

Productos de combustión + Calor (CO2, CO, H2O, SO2, NOX otros)

Los productos que se obtienen en la combustión pueden tener aspecto sólido (las cenizas y las partículas sólidas que escapan por la chimenea) y si la combustión es incompleta el carbón vegetal; estos sólidos reciben el nombre genérico de «char». También pueden tener aspecto líquido, constituyendo los líquidos piroleñosos, que podrían suponer la sustitución de los combustibles líquidos fósiles; reciben el nombre genérico de «tar». Por último, pueden tener aspecto gaseoso (los gases típicos de la combustión CO2, CO, H2O, SO2, NOx, ...); incluso en algunos procesos como la gasificación el objetivo será obtener gases combustibles. Vamos a analizar el ciclo energético. En el esquema general de la planta italiana de Bolzano, (por ejemplo), los residuos entran primero en los fosos, mediante una grúa son cargados y almacenados, pasando luego a las cámaras de combustión y después a las cámaras de postcombustión. Los gases llegan a la caldera y calientan el agua que pasa al turboalternador para producir electricidad o a un condensador para producir agua caliente. La combustión la explicaremos con más detalle y la postcombustión permite una total destrucción de dioxinas y la homogeneización de los gases. La combustión produce un gas a alta temperatura que es enfriado a unos 250 °C en una caldera con tubos de agua. Esta caldera produce vapor sobrecalentado y se diseña especialmente para trabajar con gases derivados de la combustión que en otros sistemas crearían problemas con las superficies de intercambio. La sección de evaporación está compuesta por

216

Los biocombustibles

cinco conductos ascendentes y descendentes adosados a la pared. El intercambio de calor en estos conductos es el resultado de la radiación de calor. Los gases a una temperatura de menos de 500 °C entran en un conducto horizontal al supercalentador y al economizador antes de pasar al filtro. La caldera produce 16,8 T/hora de vapor sobrecalentado a 360°C y 39 bares de presión. Todo este vapor es empleado por un condensador y una turbina. La presión sangrada es de 5 bares y se obtiene un máximo de 5 t/hora. Las calorías extraídas se emplean para la red de calefacción del distrito. La energía de salida del alternador alcanza los 2.700 kw. El alternador elegido es un síncrono que permite trabajar aisladamente en caso de que falle el suministro municipal. Incluso si el alternador se viene abajo el vapor puede ser descargado a través de dos estaciones de reducción y disminución de calor o bien puede llevarse a la red de calefacción. Otros datos concretos interesantes son los del grupo Lauren Bouillet, que está especializado en el diseño, construcción y operación de plantas incineradoras con recuperación energética. Trata unas 100.000 t de residuos reduciéndolos en una proporción en peso de 1 t a 300 kg o en volumen de 10 a 1, operando las 24 horas del día y sirviendo a distritos de 300.000 habitantes. 3.1. Componentes principales de una instalación para generación de energía eléctrica a partir de biomasa Los componentes principales de una instalación para generación de energía eléctrica a partir de biomasa son: 1. Sistema de recepción de biomasa. Está formado por un conjunto de descarga de camiones mediante plataformas basculantes, báscula y medidor de humedad, ya que la biomasa que compra la central se mide por cantidad de biomasa comprada y humedad de la misma. La forma más sencilla de pesar la biomasa es pesar el camión antes de la descarga y después de la descarga, la diferencia entre las dos pesadas es la biomasa comprada por la central. 2. Sistema de alimentación de biomasa. Constituido por: — Patio o lugar de alamacenamiento. Es muy importante pues la biomasa, por lo general, tiene una densidad energética (kcal/kg o kJ/kg) más baja que otros combustibles sólidos como son los carbones. La biomasa puede autoinflamarse por lo que debe ser removida sacando al aire los gases que se originan, por autodigestión, en el interior de los montones de astillas. Por esto se recomienda recoger la biomasa en la parte inferior mediante tornillos sinfín. — Sistema o sistemas de traslado de la biomasa desde el patio de almacenamiento al sistema de alimentación de la caldera o elemento de combustión. Se pueden utilizar tornillos sinfín, cintas transportadoras y plumas con garfios tipo pulpo. tornillos sinfin 3. Sistema de combustión, gasificación o digestión anaerobia. De los sistemas de combustión, gasificación nos ocuparemos posteriormente.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

217

Si con la combustión obtenemos vapor tendremos entonces un sistema de transformación de la entalpía contenida en el vapor en energía mecánica: turbina de vapor. Si con la gasificación obtenemos biogás tendremos entonces un sistema de transformación de la energía térmica contenida en el gas en energía mecánica: motor de combustión de gas o turbina de gas. Si con la digestión anaerobia obtenemos biogás tendremos entonces un sistema de transformación de la energía térmica contenida en el gas en energía mecánica: motor de combustión de gas o turbina de gas. 4. Sistema de transformación de la energía mecánica en energía eléctrica: Generador eléctrico convencional.

4. Procesos energéticos para obtener electricidad con biocombustibles A continuación estudiaremos con más detalle los procesos de los apartados C y D citados en el epígrafe anterior. Estos procesos se pueden agrupar según la tabla 6.9: TABLA 6.9 Producciones termo-eléctricas con biomasa seca y húmeda. G. Antolín. 1995. BIOMASA

SECA

HÚMEDA

Proceso

Procesos Termoquímicos

Procesos Bioquímicos

Producto

Uso

1. Combustión en parrilla o en lecho fluidizado

Gas Caliente

Vapor, Calor electricidad

2. Gasificación

Gas Pobre Gas Síntesis

Vapor, calor, electricidad

3. Pirólisis

Hidrocarburos Char Gases

Como combustibles diversos

Digestión Anaerobia

Metano

Vapor, calor, electricidad

Siendo los rendimientos energéticos de los diferentes procesos (Antolín G., 1995):

TABLA 6.10 Procesos técnicos y sus rendimientos energéticos. Antolín, 1995. Proceso técnico

Combustión Pirólisis Gasificación Digestión anaerobia

% Rendimiento energético

65 30 65 20

-

95 90 75 35

218

Los biocombustibles

4.1. Procesos de combustión y gasificación En los procesos de combustión o gasificación (sin considerar el proceso de pirólisis) diferenciamos 5 componentes: • S1. Sistema de parrilla, lecho o gasificación, donde se quema o gasifica la biomasa. • S2. Sistema de entrada de aire para la combustión o gasificación. Este sistema, se define al definirse el sistema C1; pero debido a su importancia debe analizarse por separado. • S3. Sistema de intercambio de calor con el ciclo agua-vapor • S4. Sistema de depuración de gases. • S5. Sistema de retirada de cenizas. 4.1.1. La combustión en parrilla Es el proceso tradicional de combustión y presenta como principales ventajas: 1. Es sufientemente conocido en el mercado, habiendo abundantes fabricantes que ofertan muy diferentes equipos a precios competitivos. 2. En caso de reparaciones éstas son fáciles de realizar. Sin embargo, la combustión clásica controla mal las emisiones, pudiendo provocar problemas medio-ambientales por emisión de partículas sólidas o de gases contaminantes. Además el rendimiento energético puede ser menor de lo esperado si no se controla bien la alimentación del aire secundario, es decir, el aire que se mezcla a la altura de la llama y que quema los gases combustibles de la misma. 4.1.2. La combustión en lecho fluido Para mejorar la combustión clásica, o combustión en parrilla, se ha diseñado la combustión en lecho fluido (CLF). Ésta se desarrolla en el seno de una masa en suspensión de partículas de combustible (el combustible necesita ser pretratado antes de entrar en el lecho), cenizas del combustible y en algunos casos un inerte o adsorbente (caliza o dolomita). Todos ellos son fluidizados por una corriente ascensional de aire de combustión. Según Antolín la combustión en lecho fluido se desarrolla en el seno de una masa en suspensión de: Partículas de combustible, cenizas del combustible y en algunos casos un inerte o adsorbente (caliza o dolomita); los cuales son fluidizados por una corriente de aire de combustión ascensional. Como principales ventajas de esta tecnología respecto a la de combustión en parrilla se citan (Antolín, 1990): 1. Comportamiento similar a un fluido, lo que supone que los sistemas de alimentación del combustible, la eliminación de cenizas y automatización y control del equipo sean relativamente sencillos, similares a los que aparecen en combustibles líquidos. 2. La distribución de temperaturas del lecho es muy uniforme, debido a que el combustible, aún siendo sólido, se comporta como un fluido. Ello implica un fácil control y se evita que el nitrógeno del aire se queme, produciendo gases del tipo NOx que pueden ser muy contaminantes.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

219

3. Desulfuración. En el interior del lecho fluido se puden introducir absorbentes que eliminen «in situ» el SO2 que pueda producirse en la combustión. El tamaño de las partículas de caliza ha de ser bajo (5-30 mm) ya que en caso contrario las partículas de CaO son atacadas superficialmente y se recubren de una capa de CaSO4 que impide el proceso de desulfuración del resto del CaO. Se recomienda que la temperatura de fluidización esté entre 700 y 900 °C, siendo la más adecuada 850 °C; esta temperatura corresponde a la máxima retención de SO2 por la caliza. 4. Admite diversidad de combustibles. Ya que se pueden mofificar las velocidades de fluidización en función de la densidad y tamaño de la partícula del combustible. 5. Alta difusividad del aire de combustión. Como el combustible que participa en el proceso tiene baja granulometría se dispone de una gran superficie específica para la reacción aire-sólido, lo que provocará que la velocidad de combustión sea mayor. 6. Alta transferencia de calor. Se citan del orden de cien veces superior al que tendría en lecho estático. Esta propiedad hace que se tienda a montar el intercambiador de calor del combustor en el seno del lecho fluidizado. 7. No formación de escorías. Como la temperatura no supera los 850 °C las cenizas no funden y son fáciles de retirar. Tampoco se forman escorías en los tubos del intercambiador de calor y paredes de la caldera. 8. Menor temperatura de rocío. Ocasionada por la eliminación de los óxidos de azufre existentes en los humos de combustión. Esta disminución contribuirá a una mayor recuperación del calor sensible que arrastran éstos. 9. Menor exceso de aire de combustión, provocado por la mayor superficie de contacto entre el combustible y el aire, utilización de un inerte y mayor rendimiento (Antolín, 1990). El citado autor señala como inconvenientes: 1. La abrasión del lecho. 2. La necesidad de ciclones. 3. La complejidad del sistema de alimentación (puede llegar a incendiarse). 4. Como hemos señalado, la adecuación previa del combustible. Es lo que se denominan los pretratamientos del combustible, que debido a la diversidad de biomasas que pueden utilizarse requieren en cada caso una solución particular. Deteniéndonos en este último inconveniente hemos de señalar como osible solución la homogeneización de la biomasa que se introduce en el lecho. Esta homogeneización se puede conseguir mediante el astillado, secado, molido, posterior secado y peletizado de la biomasa disponible. Podría pensarse que este proceso es muy caro; sin embargo no es así ya que nuestra experiencia señala que en los lugares donde se han instalado centrales de biomasa de un tamaño considerable (por ejemplo, Laja, en Chile) hay suficiente combustible para secar la biomasa y el único consumo de energía aparece en las fases de astillado y/o molienda. Se distinguen dos tipos de lechos fluidos (García y Marcos, 1997): — Lecho fluido burbujeante: Con bajas velocidades de fluidificación del aire, eneste lecho sólo menos del 10% de los sólidos pasan al ciclón. Fluidización en fase densa.

220

Los biocombustibles

— Lecho fluido circulante: Aquí hay velocidades elevadas del aire de fluidización, con arrastre de gran número de sólidos, pudiéndose reciclar parte mediante un ciclón o multiciclón. 4.2. La gasificación La gasificación es un proceso que engloba la descomposición térmica de la materia orgánica y la acción de un gas, que reacciona principalmente con el residuo carbonoso procedente de la descomposición térmica» (Bilbao, 1987). La gasificación puede hacerse con (Bilbao, o.c.): — Aire. El aire se introduce principalmente para aporte de calor mediante la combustión del residuo carbonoso. Se obtiene un gas combustible de bajo contenido energético (< 6 MJ/Nm3). Este gas puede usarse en quemadores de calderas o turbinas de gas, o en aparatos de combustión interna. Los reactores más utilizados son los de lecho móvil contracorriente (updraft), corriente paralela (downdraft) o de lecho fluidizado. — Oxígeno. El gas obtenido es de medio contenido energético (10-20 MJ/Nm3). Tiene mayor calidad que el anterior por contener menos nitrógeno. Emplea gasificadores en corrientes paralelas (Novelerg, SERI), contracorriente (Funk SWF), y flujo cruzado (Foster Wheeler). Se prefiere el lecho fluidizado frente al lecho móvil. — Vapor de agua y oxígeno (o aire). El gas obtenido tiene más hidrógeno y se puede emplear como gas de síntesis para metanol, amoniaco, gasolinas, etc. — Hidrógeno. El gas es de alto contenido energético (> 30MJ/Nm3). Al tener un alto contenido en metano y olefinas puede ser utilizado como sustituto del gas natural. Las posibilidades de aplicación comercial de estas tecnologías dependen de una serie de variables como son (García L., Marcos F. (1996) y Carrasco J. (1998): 1. El tamaño de la planta. 2. El coste a pie de la planta del combustible. 3. El desarrollo de la tecnología. Estas tres variables inciden en el VAN (Valor Actualizado Neto), TIR (Tasa Interna de Retorno) y pay-back de la instalación. Nos detendremos a considerar su incidencia en el VAN y TIR: V1. A mayor tamaño de la planta (manteniendo igual el resto de variables) mayor es el VAN y el TIR, ya que hay ciertos costes que no aumentan linealmente con la potencia instalada (costes mínimos de terrenos e instalación). V2. A menor coste a pie de planta del combustible mayor VAN y TIR. Es obvio y es uno de los factores que hacen viable o inviable este tipo de instalaciones. De todas maneras cuando se trata de residuos de biomasa forestal han de buscarse los beneficios ambientales y sociales derivados del uso de este tipo de biocombustibles residuales. V3. Podría pensarse que las tecnologías más punteras son las más caras. En valores reales es cierto; pero las subvenciones pueden modificar estos valores. De todos modos hay que considerar el ciclo completo, incluyendo: — Pretratamientos.

221

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

— Ciclo energético. — Limpieza de gases. — Limpieza de partículas sólidas. — Retirada de cenizas. No debemos concluir ningún resultado de la incidencia de la variable V3, hay que estudiar cada caso concreto, con las subvenciones y ayudas institucionales (tanto españolas como procedentes de programas europeos de ayuda a energías limpias) que pueden conseguirse y analizar, para ese caso concreto, el VAN, TIR y pay-back. De todos modos y, a efectos orientativos, aconsejamos al potencial inversor ponerse en contacto con los autores de este capítulo (Francisco Marcos, Esc. Técn. Sup. de Ingenieros de Montes de Madrid, Ciudad Universitaria, s/n., 28040 Madrid, Tfno: 91-3367120. Fax: 91-5439557), el IDAE (Paseo de la Castellana, 91, Pta. 21, 28046 Madrid, Tfno: 91-456 4900) o el CIEMAT (preguntar por D. Juan Carrasco, D. Eloy García, Dña. Pilar Ciria o D. Luis Esteban, en su centro de Lubia, Soria). Las barreras existentes hoy en los diferentes procesos y etapas en la transformación termoquímica de la biomasa son las siguientes (tabla 6.11): TABLA 6.11 Barreras a los procesos técnicos de obtención de energía eléctrica con biomasa. García Benedicto (1997) Proceso técnico

Barreras

Combustión

— Estado tecnológico muy desarrollado, difícil de mejorar.

Gasificación

— — — —

Separación y eliminación de partículas. Separación y eliminación de álcalis. Transformación de alquitranes. Sistemas de alimentación adecuados.

Gasificación + Turbinas de Gas

— Desarrollo de cámaras de combustión. — Control de óxidos de nitrógeno (NOx).

Gasificación + Motores Diesel

— Optimización para su uso con derivados de biomasa.

Los rendimientos eléctricos brutos, según el IDAE (1998) son variables; especialmente cuando lo que obtenemos es vapor y electricidad, es decir, se hace cogeneración: TABLA 6.12 Rendimientos eléctricos brutos. IDAE, 1998. Ciclo de vapor: 1. Cogeneración de electricidad y vapor en centrales de pequeña potencia (< 5 MW) 2. Cogeneración de electricidad y calor en centrales de media y alta potencia (> 5 MW) 3. Generación eléctrica en centrales trabajando a condensación Otros sistemas: 4. Aprovechamiento en motores alternativos 5. Gasificación de biomasa y utilización en central de ciclo combinado (P > 5 MW)

18-22 20-25 25-32 30 37

222

Los biocombustibles

A pesar de que la tabla anterior puede ser muy discutida, también es innegable que es muy práctica a la hora de realizar estudios de viabilidad económica y desde luego, es totalmente aceptable hasta que las tecnologías demuestren lo contrario. 4.3. Digestión anaerobia Es un proceso biológico por el cuál la materia orgánica, en un medio con carencia de oxígeno y por medio de bacterias específicas, se descompone en productos gaseosos o «biogás», en otros sólidos donde se encuentran la mayor parte de los componentes minerales (N, P, K, Ca, ...) y por último aquellos de difícil degradación. El biogás contiene un porcentaje de metano alto en su composición (50-70%), pudiendo aprovecharse energéticamente. La bioquímica y microbiología de los procesos anaerobios es más complicada que en los procesos aerobios, debido a la existencia de numerosas rutas que puede utilizar una comunidad anaerobia para la bioconversión de la sustancia orgánica. Estas rutas y mecanismos no se conocen al detalle, pero en los últimos años se ha desarrollado un estudio importante en este sentido. Marcos (2001). En principio el proceso anaerobio se puede describir por medio de tres fases. Una fase de hidrólisis en la que las macromoléculas se descomponen en productos más simples. Una segunda fase de acidogénesis-acetogénesis, durante la cuál se forman ácidos orgánicos y ácido acético. Y una tercera fase de metanogénesis con producción de metano. Marcos (2001). Como ventajas de la digestión anaerobia cabe destacar el alto contenido en metano del biogás, su condición de energía renovable y por tanto con capacidad para mejorara el medioambiente al sustituir a un combustible fósil, la reducción de agentes patógenos que producirían la materia prima no tratada, la eliminación de olores no deseados y el uso de los subproductos como fertilizantes orgánicos. Por último mencionar que el biogás con un 60% de metano, tiene un poder calorífico de unas 5.500 kcal/m3. Su densidad es 1,2 kg/m3 y su punto de inflamación es 600 °C. Si se elevara el porcentaje de metano al 70%, 1 m3 del mismo podría sustituir a 0,6 m3 de gas natural, o 0,8 litros de gasolina, o 0,3 kg de carbón, cantidades todas ellas de gran interés desde el punto de vista social, medioambiental y económico.

5. Sistemas de producción de energía eléctrica utilizados en las centrales térmicas de biomasa agroforestal A continuación estudiaremos algunos sistemas de producción de energía eléctrica con biomasa agroforestal: Sistema 1: Denominado sistema clásico o de combustión en parrilla. La biomasa se quema en un hogar de parrilla fija o parrilla móvil y desprende calor en su combustión. El calor de la combustión calienta agua líquida que en la caldera se transforma en vapor. El vapor es introducido en una turbina que alimenta el movimiento de un generador eléctrico produciendo, finalmente, energía eléctrica.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

223

Los defensores del proceso de combustión basan sus argumentos en que el proceso de la combustión (desde el punto de vista químico, teórico) es alto. Los valores medios del rendimiento de una instalación para generar energía eléctrica con combustión oscilan entre el 28% y el 32%. En la instalación de Mortagua antes citada el rendimiento global esperado es menor: 24,2%.

Figura 6.2 Sistema 1. Producción de vapor para generar enegía eléctrica.

Los sistemas combustión presentan algunos inconvenientes entre los que destacan la carestía de los sistemas de almacenaje y transporte de la biomasa debido a su baja densidad física y energética. En muchos casos el problema de la humedad condiciona y encarece el aprovechamiento por lo que se diseñan sistemas de combustión en los que la biomasa cae por gravedad y se va secando según cae al horno donde se realiza la combustión. Centrales eléctricas que utilizan biomasa mediante combustión pueden verse trabajando en Estados Unidos, Canadá y Europa. En Portugal, por ejemplo, la central de Mortagua. Sistema 2: Es el sistema clásico de cogeneración de vapor y energía eléctrica. La biomasa se quema y desprende calor en su combustión. El calor de la combustión caliente agua líquida que en la caldera se transforma en vapor. El vapor es introducido en una turbina que alimenta el movimiento de un generador eléctrico produciendo, finalmente, energía eléctrica. En la turbina entra agua que se transforma en vapor y ese vapor es útil en otros procesos termodinámicos. En este sistema, a diferencia del sistema anterior se producen energía eléctrica y vapor, con lo que el rendimiento global es mayor.

224

Los biocombustibles

Figura 6.3. Sistema 2. Cogeneración de vapor y energía eléctrica.

Figura 6.4. Sistema 3. Producción de vapor mediante combustión en lecho fluido para generar energía eléctrica.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

225

En Chile pueden verse centrales de este tipo, como la central de Concepción; pero también en países nórdicos europeos, en Estados Unidos y Canadá. Las emisiones de gases contaminantes de estas instalaciones dependen de biomasa utilizada y del sistema de filtros. Para biocombustible que no incluye basuras y tiene un 25% de astillas de madera, 40% de corteza, 25% de serrín y 10% de astillas de industrias de 2.a transformación las emisiones son: 80-85 mg/MJ de NOx, 100-110 mg/MJ de CO, 35 mg/Nm3 de partículas sólidas en el gas de escape. Sistema 3: Es el sistema clásico de generación de vapor mediante el uso de una combustión en lecho fluido. En esencia el sistema 3 es igual al sistema 1 pero en este caso la combustión se realiza en un lecho fluido. En la combustión de lecho fluido la biomasa se comporta como un fluido y se consigue un mejor control de las variables de la combustión, especialmente la temeratura, con lo que no se corre el eligro de llegar a quemar el nitrógeno del aire y llegándose, además, a rendimientos mayores. El problema de la combustión en lecho fluido es que la biomasa debe ser homogeneizada previamente para conseguir un buen funcionamiento del lecho y esta operación encarece el proceso. Sistema 4: Este sistema es igual que el sistema 3; pero en este caso se produce, además de energía eléctrica, vapor de proceso. Presenta un mayor rendimiento que el sistema 3 ya que aprovecha el calor residual. Tiene la misma ventajas frente al sistema 3 que las que tenía el sistema 2 frente al sistema 1, es decir, que se aprovecha el calor residual de la turbina para producir vapor. Pondremos algunos ejemplos conocidos de este proceso (tabla 6.13):

TABLA 6.13 Central térmica de

Combustión

Potencia térmica, MW

Biocombustible

Lipkögin (Suecia)

BFB: Bubbling Fluizidez Bed (Lecho fluido)

2 grupos de 17

Basura (RSU)

Perstorp AB Industrial (Suecia)

CFB: Lecho fluido circulante

55 (carbón) + 50 (biocomb.)

Residuos de madera e industriales mezclados con turba y carbón.

Örebro, Suecia

CFB: Lecho fluido circulante

165

Residuos de madera mezclados con turba y carbón.

Laja (Chile)

Corrientes paralelas 7

Residuo de industria forestal de 1.a Transformación

Brista (Suecia)

Lecho fluidizado

Madera y corteza

122

Las emisiones suelen ser bajas y dependen del tipo de residuo, si se emplea madera y corteza o residuo de industria forestal de primera transformación son muy bajas. Por ejemplo, en una de las centrales citadas las emisiones son las siguientes (tabla 6.14):

226

Los biocombustibles TABLA 6.14 Central térmica de

Brista (Suecia)

Potencia térmica, MW

Biocombustible

NOx mg/MJ

N2O mg/MJ

NH3 ppm

122

Madera y corteza

20

10

10

Figura 6.5. Sistema 4. Cogeneración con lecho fluido generación de energía eléctrica y vapor de proceso.

Sistema 5: Un sistema más evolucionado que los cuatro anteriores consiste en gasificar la biomasa, obteniendo un gas combustible. La gasificación es un proceso que engloba la descomposición térmica del biocombustible y la acción de un gas, que reacciona principalmente con el residuo carbonoso procedente de la descomposición térmica. La gasificación puede hacerse con: — Aire. El aire se introduce principalmente para aporte de calor mediante la combustión del residuo carbonoso. Se obtiene un gas combustible de bajo contenido energético (< 6 MJ/Nm3). Este gas puede usarse en quemadores de calderas o turbinas de gas, o en aparatos de combustión interna. Los reactores más utilizados son los de lecho móvil contracorriente (updraft), corriente paralela (downdraft) o de lecho fluidizado. — Oxígeno. El gas obtenido es de medio contenido energético (10-20 MJ/Nm3). Tiene mayor calidad que el anterior por contener menos nitrógeno. Emplea gasificadores en corrientes paralelas (Novelerg, SERI), contracorriente (Funk SWF), y flujo cruzado (Foster Wheeler). Se prefiere el lecho fluidizado frente al lecho móvil.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

227

— Vapor de agua y oxígeno (o aire). El gas obtenido tiene más hidrógeno y se puede emplear como gas de síntesis para metanol, amoniaco, gasolinas, etc. — Hidrógeno. El gas es de alto contenido energético (> 30MJ/Nm3). Al tener un alto contenido en metano y olefinas puede ser utilizado como sustituto del gas natural. producir energ a el ctrica 1˚Patio de almacenamiento 2˚Silo 3 Alimentaci n de biomasa 4 Gasificador 5 Compresor 6 Turbina de gas 7˚Generador el ctrico M Mezclador de aire-gas.˚˚˚

1

2

6

5 4 3

M

7

Agua Aire (1… y 2…) Biomasa Cenizas Biog s Humos Part culas s lidas

Figura 6.6. Sistema 5. Gasificador con turbina de gas para producir energía eléctrica.

Se distinguen cuatro tipos de gasificadores, sin embargo, debe precisarse que la comparación entre diferentes gasificadores no es fácil ya que han de tenerse muchos factores en cuenta como son el tamaño y la densidad de la biomasa empleada, la cantidad de la misma y las características de los gases que desean obtenerse. Los principales tipos de gasificadores son: 1. Lecho móvil contracorriente. La biomasa cae de arriba hacia abajo, el aire de gasificación entra por la parte inferior y en la parte superior se coloca la salida del gas. La biomasa y el aire de gasificación, por tanto, van contracorriente. 1. Lecho móvil en paralelo. Tanto la biomasa que se va a gasificar como el aire utilizado en la gasificación caen de arriba hacia abajo. Es decir, el flujo de biomasa y el de aire son paralelos. 1. Lecho fluidizado. El conjunto que se gasifica se comporta como un fluido. El aire entra por la parte inferior mientras que la biomasa entra por la parte superior. El gas (producto final sale por la parte superior). 2. Gasificador de transporte. Biomasa y aire entran por la parte inferior mezclados obteniéndose gas y cenizas en la parte superior.

228

Los biocombustibles

En el lecho móvil el flujo del sólido es cercano al de flujo pistón, por lo que no hay mezcla de sólidos. Si en el reactor se produce un aumento de temperatura en una zona del mismo, por ejemplo en gasificación con aire en la zona de oxidación donde se produce una combustión parcial del residuo carbonoso, se forman perfiles longitudinales y radiales de temperaturamuy acusados, lo que origina la formación de regiones a muy distinta temperatura y los diversos procesos implicados (secado, pirólisis, oxidación, ...) tienen lugar gradualmente y en distintas zonas del gasificador, lo cual puede dificultar el control de los productos a obtener. En el lecho móvil la pirólisis la pirólisis tiene lugar en una zona de baja temperatura (300-400 °C), por lo que se forman muchos productos líquidos, principalmente alquitranes. (Bilbao, 1990). Además, para un mismo volumen de reactor el lecho fluidizado permite procesar una mayor cantidad de sólido que un lecho móvil. Como ejemplo de gasificador (hay muchos más) podemos citar los construidos por García Bacaicoa, citando 3 plantas piloto: una de 50 kg/h, otra de 200-300 kg/h y otra de 100 kg/h. Este gasificador presenta la ventaja de de que genera, simultáneamente con el gas, un residuo carbonoso susceptible de ser aprovechado en otros procesos. Por este motivo, se plantearon dos opciones desde el punto de vista operacional: generación simultánea de gas y residuo carbonoso, o bien, gasificación con el único objetivo de producir gas. Los resultados obtenidos se presentan en la tabla siguiente: TABLA 6.15 Gasificación experimentada en España por García-Bacaicoa, Bilbao y Usón (1998) Planta 50 kg/h

Planta de 200-300 kg/h

Planta de 100 kg/h

A (+)

B (+)

25,4-48,9 40-70

214,7-338,3 250-350

191,3-299,0 250-300

35-83 35-107

Producciones Gas (m3N/h) PCI (kcal/m3N/h) Residuo sólido (kg/h) PCI (kcal/kg)

65,0-117,0 961-1292 0,25-1,43 —

283,2-503,7 636-1259 23,5-59,8 4765-6513

372,1-553,5 1079-1578 10,8-18,0 2572-4825

63-175 1181-1496 — —

Rendimiento E.C.G. (*) C.E.G. (*)

0,88-0,99 0,65-0,78

0,63-0,84 0,20-0,49

0,86-0,94 0,56-0,82

— 0,55-0,72

Consumos

Biomasa (kg/h) Aire (m3N/h)

(+) A se refiere a la opción de generación simultánea de un residuo carbonoso y gas, mientras que B se refiere a la opción de gasificación convencional. (*) E.C.G. se refiere a la eficacia de la conversión a gas (masa de gas seco / masa de biomasa húmeda + aire) y C.E.G. se refiere a la conversión energética a gas (energía en el gas seco/ energía en la biomasa seca).

En el sistema 5 el gas procedente de la biomasa se quema en una turbina de gas que se une a un generador eléctrico para así producir energía eléctrica. Sistema 6: Es similar al anterior, es decir se gasifica la biomasa en vez de quemarse en forma sólida; pero en éste el gas se quema en un motor de gas, en lugar de quemarse en una turbina.

229

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

1 Patio de almacenamiento 2 Silo

Sistema 6. Gasificador con motor de gas para producir energ a el ctrica y agua caliente

3 Pretratamiento 4 Alimentaci n de biomasa 5 Gasificador 6 Cicl n 7 Filtros 8 Filtros

1

9 Turbocompresor 10 Motor de gas 11 Colector de escape del motor 12 Intercambiador de calor

2

13 Generador el ctrico 14 Tanque de agua caliente

9

15 Instalaci n de ACS o calefacci n

11

M

M Mezclador aire-gas

3

14

6

4

5

7

10

15

13

8 12

Aire Biomasa Agua

12

Humos Gases de escape

Gas Cenizas

Figura 6.7. Sistema 6. Gasificador con motor de gas para producir energía eléctrica y agua caliente

El motivo es que para pequeñas potencias el motor de gas suele ser más económico que la turbina de gas. Este sistema es aconsejable cuando la cantidad de biomasa a procesar no es muy grande; es decir, para potencias instaladas pequeñas. Presente algún inconveniente en la limpieza de gases antes de entrar en el motor. Se han de colocar unos sistemas de filtrado cuya calidad y precio depende de la pureza del gas que se vaya a introducir en el motor. Sistema 7: Consiste en utilizar dos combustibles: biomasa y gas natural. Con el gas natural se produce energía eléctrica (bien con una turbina de gas o bien con un motor de gas), el calor excedentario se utiliza para producir vapor que se recalienta con el calor procedente de quemar la biomasa o se mezcla con vapor procedente de esa combustión, el vapor resultante se utiliza para producir energía eléctrica en una turbina de vapor. Este sistema supone unos altos costes de inversión pues se precisan dos turbinas (una de gas y otra de vapor) o un motor de gas y una turbina de vapor y dos generadores eléctricos. Presenta como ventaja el hecho de que se genera más energía eléctrica. En el caso habitual de disponer de turbina de gas se coloca una caldera de recuperación (recupera el calor excedentario de la turbina) que se compone de tres intercam-

230

Los biocombustibles con gas natural y biomasa para producir energ a el ctrica y vapor

1 Patio de almacenamiento 2 Silo 3 Alimentaci n de biomasa

1

4 Hogar 5 Caldera o combustor lecho fluido 6 Turbina de vapor 7 Generador el ctrico

2

8 Dep sito de gas 9 Compresor de aire

7

6

11

5

10 Turbina de gas 11 Vapor a proceso industrial 12 Caldera de

9 3

4

10

7

M

12 8

recuperaci n de calor M Mezclador gas-aire

Agua Aire (1… y 2…) Biomasa Vapor Cenizas Humos Part culas s lidas

Figura 6.8. Sistema 7. Ciclo combinado con gas natural y biomasa para producir energía eléctrica y vapor.

biadores de calor (economizador, vaporizador y recalentador). Como en los ciclos de vapor convencionales interesa que el agua a la salida del economizador esté lo más caliente posible pero que no alcance la temperatura de saturación. También interesa que en la caldera se recupere al máximo la energía térmica de los gases (Lozano, 1999). Si se desea una mayor profundización en los ciclos combinados recomendamos al lector la consulta del libro R. Kehlhofer titulado «Combined-Cycle Gas&Steam Turbine Power Plants» editado por The Fairmont Press. Un tema importante al manejar las turbinas de gas es la temperatura de combustión ya que un aumento de la misma mejora su rendimiento. Sin embargo, este aumento por encima de 1500 °K (1227 °C) supone un aumento de costes considerable ya que requiere materiales caros y alabes refrigerados. Otro tema también a considerar es el de la presión, ya que aunque su rendimiento mejora el rendimiento de la turbina de gas dentro del rango de interés pero disminuye la eficiencia de recuperación de la caldera de vapor. Por tanto, la presión óptima se encuentra en un valor intermedio (10,5 a 13 bar) (Lozano, o.c.). Este sistema 7 admite, a su vez, cuatro tipos: Tipo 1: Combustión de la biomasa en parrilla móvil y mezcla de los vapores procedentes de la caldera que se alimenta térmicamente con el calor desprendido por la biomasa y del vapor que se obtiene en un intercambiador de calor que aprovecha el calor residual de la turbina o del motor de gas.

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

231

Tipo 2: Combustión de la biomasa en parrilla móvil. El calor de esta combustión es utilizado para recalentar el vapor de agua que procede de un intercambiador de calor que aprovecha el calor residual de la turbina o del motor de gas. Tipo 3: Combustión de la biomasa en lecho fluido. Se mezclan los vapores de agua como en el punto 1. Tipo 4: Combustión de la biomasa en lecho fluido. El vapor es recalentado como en el punto 2. Por otro lado, el Real Decreto 28/1998 de 23 de diciembre de 1998 sobre producción de energía eléctrica por instalaciones abastecidas por recursos o fuentes de energía renovables, residuos y cogeneración publicado en el Boletín Oficial del Estado (BOE del 30 de diciembre de 1998) presenta unas tarifas interesantes para los productores de energía eléctrica que utilizan biomasa. La aplicación de este Real Decreto puede hacerse a este sistema (a los otros también) obteniéndose precios competitivos para los inversores en este tipo de intalaciones. TABLA 6.16 Descripción de los sistemas considerados Sistema

Combustibles

Combustión biomasa

Gasificador de biomasa

Turbina de vapor

Turbina de gas

Motor de gas

Vapor para proceso

ACS

1 2

Biomasa Biomasa

Parrilla Parrilla

No No

1 1

No hay No hay

No No

No Sí

Sí Sí

3

Biomasa

No

1

No hay

No

No

Sí

4

Biomasa

Lecho fluidizado Lecho fluidizado

No

1

No hay

No

Sí

Sí

5 6

Biomasa Biomasa

No hay No hay

Sí Sí

No No

Sí Sí

7

Biomasa y gas natural

Parrilla

No

No

Sí

No hay 1, biogás No No hay No hay 1, biogás 1

1, Gas Natural

No

6. Costes de las tecnologías de obtención de energía eléctrica con biomasa La tabla de costes de instalación y distribución de inversiones de una central eléctrica con biomasa es la siguiente: TABLA 6.17 Distribución de inversiones, IDAE, 1996 Concepto

Porcentaje

Hogar-caldera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Turbina-alternador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ingeniería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Obra civil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Varios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43,0 20,0 10,0 6,0 5,0 16,0

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100,0

232

Los biocombustibles Cogeneración con biomasa y gas natural (generación de energía eléctrica y vapor de proceso). Esquema simplificado. Sistema 7.1: Combustión en parrilla móvil

AGUA

INTERCAMBIADOR DE CALOR

PARTÍCULAS SÓLIDAS (*)

GAS NATURAL

AIRE

HUMOS (*)

CENIZAS

COMBUSTIÓN PARRILLA MÓVIL + CALDERA DE VAPOR

TURBINA DE GAS O MOTOR DE GAS VAPOR

GENERADOR

BIOMASA AIRE

AGUA

EE TURBINA DE VAPOR

GENERADOR

EE

(*) FILTROS

Figura 6.9 Cogeneración con biomasa y gas natural (generación de energía eléctrica y vapor de proceso). Esquema simplificado. Sistema 7.2: Combustión en parrilla móvil

AGUA

INTERCAMBIADOR DE CALOR

PARTÍCULAS SÓLIDAS (*)

GAS NATURAL

AIRE

HUMOS (*)

COMBUSTIÓN PARRILLA MÓVIL + RECALENTADOR DE VAPOR

TURBINA DE GAS O MOTOR DE GAS

GENERADOR

CENIZAS

VAPOR

EE TURBINA DE VAPOR

(*) FILTROS

Figura 6.10

GENERADOR

EE

BIOMASA AIRE

233

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles Cogeneración con biomasa y gas natural (generación de energía eléctrica y vapor de proceso). Esquema simplificado. Sistema 7.3: Combustión en LECHO FLUIDO

AGUA

INTERCAMBIADOR DE CALOR

HUMOS

PARTÍCULAS SÓLIDAS

GAS NATURAL

AIRE

CENIZAS

*

COMBUSTIÓN LECHO FLUIDO + CALDERA DE VAPOR

TURBINA DE GAS O MOTOR DE GAS

,

VAPOR

BIOMASA AIRE

GENERADOR

EE AGUA GENERADOR

TURBINA DE VAPOR

EE

* PRETRATAMIENTO DE LA BIOMASA

Figura 6.11 Cogeneración con biomasa y gas natural (generación de energía eléctrica y vapor de proceso). Esquema s implificado. Sistema 7.4: Combustión en LECHO FLUIDO

AGUA

INTERCAMBIADOR DE CALOR PARTÍCULAS SÓLIDAS

GAS NATURAL

AIRE

HUMOS

CENIZAS

COMBUSTIÓN LECHO FLUIDO + RECALENTADOR DE VAPOR

TURBINA DE GAS O MOTOR DE GAS

VAPOR

GENERADOR

EE TURBINA DE VAPOR

* PRETRATAMIENTO DE LA BIOMASA

Figura 6.12

GENERADOR

EE

*

BIOMASA AIRE

234

Los biocombustibles

Figura 6.13

El IDAE maneja como media, «para plantas de producción eléctrica con ciclos de vapor, alimentados con biomasa, ... inversiones necesarias en torno a las 200.000 Pta/kW instalado». En nuestros cálculos estimamos que este valor es correcto pero que deben hacerse dos aclaraciones: — Según nuestros estudios y los del CIEMAT, el coste de un central de biomasa depende en gran medida de la escala. A mayor escala menor es el coste variable en comparación con el coste fijo. Es decir, en pequeña escala el coste fijo es muy alto. Por este motivo las centrales térmicas de poca potencia son siempre menos rentables que las de media potencia. Por encima de 20 MW, en España, apenas se pueden considerar este tipo de centrales por falta de materia prima. — El pre-tratamiento, tratamiento y transporte de material combustible dentro de la central debe ser cuidado evitando autocombustiones y consiguiendo que el combustible entre en el hogar en condiciones de humedad y tamaño correctas. A partir de los datos del IDAE, del CIEMAT y de ciertas empresas (ENDESA, IBERDROLA, Unión-Fenosa, Abengoa) en la fecha actual (enero, 2002), los costes de funcionamiento de una central térmica de biomasa, son: 1. Costes del combustible. Variable entre el 42 y el 50%. La potencia instalada apenas influye directamente en el valor absoluto de estos costes; pero sí influye abaratando el resto de los costes, por lo que en porcentaje relativo cuanto mayor es la central mayor es el coste de combustible. En los proyectos

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

Figura 6.14

Figura 6.15

235

236

Los biocombustibles

Figura 6.16

Figura 6.17

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

237

Posiciones relativas de las distintas zonas de reacción en los gasificadores de lecho móvil

Figura 6.18

en los que hemos participado el interés del grupo eléctrico era comprar este combustible lo más barato posible, por estimar que era un residuo, no una materia prima. Repetimos de nuevo la importancia que tiene el correcto pretratamiento del combustible. Como dato básico se maneja que nunca deben superarse las 3,75 pta/kg (25% de humedad y limpio) y que 1 kg produce 1 kWhe. 2. Costes de amortización. Descienden a medida que aumenta el tamaño de la potencia instalada. Oscilan entre el 35% (para pequeñas potencias y tecnologías más modernas como gasificación y fluidificación) y el 28%. 3. Costes de operación y mantenimiento. Son el resto, disminuyen con la potencia instalada. Varían entre el 15% y el 25%. Dependen del tipo de instalación. A partir de datos suministrados por el CIEMAT y por nuestra experiencia se obtiene la siguiente tabla de costes de generación de energía eléctrica con biomasa. Se consideran varios sistemas de generación y el coste de la biomasa con 2 valores: 7 pta/kg y 5 pta/kg. La potencia instalada es importante, ya que como hemos indicado a mayor potencia más rentable es la instalación. Por otro lado, en España (1998), el Instituto para la Diversificación y Ahorro Para la Energía (IDAE) maneja los siguientes datos para centrales energéticas de biomasa. Estos datos no son de costes económicos. Sin embargo, los efectos y «costes» energéticos, sociales y ambientales guardan una estrecha relación con los efectos económicos:

238

Rendimiento

Consumo

Inversión

Vida útil

%

kg/kWhe

pta/kWe

años

7 pta/kg

Turbina Vapor (TV)

20

1,24

250.000

25

TV, 8-15 MWe

Sistema y potencia

Combustión lecho fijo

Coste de biomasa

Coste

Coste O y M

Coste total

5 pta/kg

pta/kWh

pta/k

(1)

(2)

8,68

6,2

4,81

1,35

14,8

12,3

20

1,24

235.000

25

8,68

6,2

4,41

1,35

14,4

11,9

Combustión parrilla móvilTV, 30-50 MWe

30

0,83

180.000

25

5,79

4,15

3,46

0,9

10,1

8,51

Gasificación lecho fijomotogenerador < 1 MW

25

0,99

200.000

16 gasif

6,94

4,95

3,54

2,3

12,7

10,7

Gasificación lecho fluidoTurbina de gas 30-100

32

0,78

275.000

20

5,43

3,90

4,76

2

12,1

10,6

42

0,59

350.000

20

4,13

2,95

6,73

2

12,8

9,68

IGCC, 20-150 MWe

OYM: Operación y mantenimiento. *(*) Poder calorífico inferior: 3.490 kcal/kg = 14,6 MJ/kg. (**) Horas de funcionamiento 7.500 h/año. Interés 10% anual.

Los biocombustibles

TABLA 6.18 Coste de la energía eléctrica producida con biomasa

Obtención de energía eléctrica con biocombustibles

239

TABLA 6.19 Efectos energéticos, económicos, sociales y ambientales de una central eléctrica de biomasa, según el IDAE, 1998. Datos referidos a Energía Energía MWh/año

Familias que la usan

Economía

Empleo

Medio Ambiente

Inversión MPta

Empleo generado

Emisiones gaseosas evitadas t/año

Central de 10 MWe

75.000

24.000

2.250

200 (diseño y obra) 23 fijos

Superficie cultivada 40.000 ha

—

—

400

24.000 jornales

TOTAL

75.000

24.000

2.650

133 pers./año

CO2

SO2

7.500

470

7.500

470

El análisisis de ciclo de vida de la generación eléctrica con biomasa es muy complicado de realizar por los distintos tipos de centrales de biomasa que pueden construirse y por el distinto origen del biocombustible (cultivo y/o residuo). Si el lector desea adentrarse en los análisis de ciclo de vida, que en todos los casos son muy favorables a la biomasa le aconsejamos que consulte la publicación del IDAE titulada «Análisis de ciclo de vida de ocho tecnologías de generación eléctrica» (2000). En esta publicación no se estudia la biomasa debido a las dificultades antes apuntadas. En el capítulo final realizaremos algunas consideraciones ambientales más concretas referentes al uso energético de los biocombustibles.

Bibliografía Antolín, G. (1995): Combustión de biomasa. En el curso «Biomasa fuente de energía y productos para la agricultura e industria». CIEMAT. Soria-Madrid. Bilbao, R. y Fernández, F. (1987): «Gasificación de biomasas». Rev. Ingeniería Química. Junio, 1987. Bilbao, R. (1990): «Gasificación de la biomasa». En La biomasa como fuente de energía y productos para la agricultura y la industria. Centro de Investigaciones Energéticas Medio Ambientales y Tecnológicas. Junta de Castilla y León. Carrasco, J. (1990): «Impacto ambiental de la producción y uso de la biomasa». En La biomasa como fuente de energía y productos para la agricultura y la industria. Centro de Investigaciones Energéticas Medio Ambientales y Tecnológicas. Junta de Castilla y León. Cuesta Samaniego, A. (1998): «Central de generación eléctrica a partir de biomasa de uva». En Energía de la biomasa: Realidades y perspectivas. OTRI. Universidad de Córdoba. Centro da Biomassa para a Energía, Patrao, G. (1998): Central Termoeléctrica para aprovechamiento energético de residuos forestales en Mortagua. Centro da Biomassa para a Energia. Miranda do Corvo. Portugal. Centro de Estudios de la Energía. (1981): La biomasa como fuente energética. Centro de Est. de la En. Madrid.

240

Los biocombustibles

Fernández González, J. (1998): «Cultivos energéticos para el área mediterránea». En Energía de la biomasa: Realidades y perspectivas. OTRI. Universidad de Córdoba. García Bacaicoa, P.; Bilbao, R. y Usón, D. (1998): «Gasificador de biomasa integrado en un sistema mixto de producción de energía». En Energía de la biomasa: Realidades y perspectivas. OTRI. Universidad de Córdoba. García Bacaicoa, P. (1995): Gasificación de biomasa. En el curso «Biomasa fuente de energía y productos para la agricultura e industria». CIEMAT. Soria-Madrid. García Benedicto, L. y Marcos Martín, F. (1997): Obtención de energía eléctrica con biomasa forestal en Otros Aprovechamientos forestales. Ed. Fernando Martín Asín. Madrid. García Benedicto, L. y Marcos Martín, F. (1997): «Ciclo energético y producción de electricidad». En Incineración de biomasa. Ed. Fernando Martín Asín. Madrid, 1997. Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía. (1992): «Incineración de residuos sólidos urbanos, IDAE». Cinco Días. Madrid. Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía. (1996): «Manuales de energías renovables. 3. Energía de la biomasa. Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía». Cinco Días. Madrid. Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía. (1998): Varias comunicaciones internas no publicadas. Lozano Serrano, M. A. (1999): Análisis y diseño de ciclos combinados con EES. Act. de las Primeras Jornadas Nacionales de Ingeniería Termodinámica. pp. 167-178. Universidad de Extermadura. Marcos Martín, F. (1989): El carbón vegetal, propiedades y obtención. Mundi-Prensa. Madrid. Marcos Martín, F.; Villegas Ortiz de la Torre, S.; García Benedicto, L. y López Freire, P. (1998): «Xiloenergética: Conceptos básicos y limitaciones». En Energía de la biomasa: Realidades y perspectivas. OTRI. Universidad de Córdoba. Marcos Martín, F. y García Benedicto, L. (1998, 2.a ed.): «Generación de energía eléctrica a partir de biomasa». En El maravilloso mundo de las energías renovables. Ed. Fernando Martín Asín. Madrid. Marcos Martín, F. (2001): Biocombustibles sólidos de origen forestal. AENOR. Madrid. Patrao, G. (1998): «Central termoeléctrica de Mortagua». En Utilizaçao de Resíduos Florestais para a Produçao de Energia. Miranda do Corvo. Portugal. Sáiz de Bustamante, A. (1981): Opciones energéticas I. Energías tradicionales. Univ. Int. Menéndez Pelayo. Santander. Sáiz de Bustamante, A. (1981): Opciones energéticas II. Energías alternativas. Univ. Int. Menéndez Pelayo. Santander. Unión Europea. (1997): Libro Blanco de las Energías Renovables. Datos técnicos facilitados al autor en visitas o en folletos de casas comerciales (contrastados).

7 Los biocombustibles líquidos. Aceites

Manuel Camps Michelena

ÍNDICE 1. Introducción. 2. Cultivos susceptibles de uso energético a corto plazo. 3. Ventajas e inconvenientes de estos cultivos. 4. Beneficios potenciales derivados del uso de productos biológicos como fuente de energía. 5. Efectos de los biocombustibles sobre el medio ambiente. 6. Análisis económico de los biocombustibles. 7. Diversas tendencias. Aceites. 8. Problemas derivados del uso de aceites vegetales. 9. Esterificación. 10. Normativas europeas. 11. Ventajas e inconvenientes adicionales. 12. Utilización en motores. 12.1. Obturación de los inyectores. 12.2. Dilución del aceite lubricante. 12.3. Rendimiento del motor. 13. Aspectos económicos. 14. Diversas soluciones. 15. Uso del metiléster de girasol en los motores de ciclo diesel. 16. Caracterización de los bioaceites para su empleo en motores. 17. Parámetros más importantes de los metilesteres. 17.1. Viscosidad. 17.2. Poder calorífico inferior. 17.3. Número de cetano. 17.4. Densidad. 17.5. El índice de yodo. 17.6. El punto de espesamiento en filtro frío (CFPP). 17.7. Otras. 18. Factores indirectos que afectan a los metilesteres. 19. Condicionantes actuales para introducir en el mercado el metiléster de girasol como combustible alternativo. 20. La tecnología del proceso. 20.1. Propiedades ambientales. Emisiones. 20.2. Aplicación en los motores. 21. Conclusiones.

1. Introducción Desde hace algún tiempo, el problema de la agricultura empieza por la identificación del problema. Hay problemas en todos los niveles de la vida, de índole política, ética, generacional, y también productiva, alimenticia, económica, demográfica y, por encima de todo, energética. Es de este último apartado del que nos tenemos que preocupar en este trabajo. Por otra parte, en lo que respecta al campo, el problema de la producción, más que cuantitativo es cualitativo; es decir, se trata de saber qué productos debemos cultivar para paliar en lo posible los problemas que surgen a nivel mundial. En la actualidad, y a pesar de los 6500 millones de personas existentes en el mundo, el problema de la alimentación es de tipo puntual (si bien no despreciable) mas que global, es decir, que una agricultura eficiente puede proveer a todo el mundo de alimento, fibra y, también, de energía. En Europa, por ejemplo, hay superávit de leche, grano, carne, azúcar y aceite, y, como sabemos, existe incluso la opción del set-aside, pagar por no cultivar, que para nuestro modo de pensar, no parece la mejor. Nos atreveremos incluso a cambiar la conocida frase «la tierra es para quien la trabaja», por esta otra nueva, más útil ahora, y mucho menos polémica de «la tierra es para que se trabaje». Desde el punto de vista del campo, entonces, se trataría de saber qué hacemos con la tierra dentro del marco de la Unión Europea, paliando además el problema de la energía; nos encontramos, por simplificar un poco, con el dilema que el Profesor Briz Escribano define como «Agricultura alternativa o alternativas a la Agricultura». Se entiende por agricultura alternativa (agricultura, al fin) la búsqueda de las parcelas de mercado que puedan absorber en condiciones adecuadas de precio y cantidad los productos ofrecidos por la agricultura, pudiendo mencionar hoy en día como más significativos los que a continuación se indican: • Cultivos que atienden demandas específicas, como puede ser la ornamentación, plantas medicinales y aromáticas. • Cultivos energéticos que permitan aportar energía a través de recursos renovables. • Cultivo de productos biológicos o naturistas. • Orientación de la calidad hacia los estratos de mayor demanda.

244

Los biocombustibles

Las alternativas a la agricultura pretenden la utilización del campo para fines no agrarios, entre los que nos podemos encontrar con: • Turismo rural, caza, pesca, etc. • Industrialización y transformación de productos agrarios, mediante una gestión dentro del propio ámbito del agricultor, que obtendría así el valor añadido. • Reconversión hacia actividades no problemáticas, como una granja lechera en picadero, etc. • Mantenimiento y conservación de los recursos naturales. Entendemos que una solución interesante es la de emplear nuestros campos en cultivos energéticos de carácter renovable. Metidos ya de lleno, pues, en el problema, podemos preguntarnos qué características debería tener un cultivo para ser considerado dentro de este apartado. Nos encontramos, entonces, con lo que denominaremos vocación agroenergética de un cultivo, y que comprende, en principio, las siguientes cualidades (según Fernández): • Vigor y precocidad de crecimiento, es decir, que produzca mucha masa por unidad de superficie, y en poco tiempo. • Acumulación de energía, o sea, mucha capacidad calorífica (energética) por unidad de masa. • Capacidad de rebrote, para poder obviar la resiembra. • Rusticidad, para adaptarse a terrenos marginales, pues estos terrenos son los que vamos a poder usar para este tipo de cultivos.. De acuerdo con esta vocación, hay algunos cultivos susceptibles de ser usados como fuente energética a corto plazo, y que podemos dividir en azucareros, oleaginosos y productores de biomasa.

2. Cultivos susceptibles de uso energético a corto plazo 1.

Azucareros, para producción de alcohol (para mezclar con gasolina y utilizar en motores de ciclo Otto). Los subproductos, energía para la destilación o electricidad. 2. Oleaginosos: a) para esterificar el aceite, y emplear solo o en mezcla para motores de ciclo Diesel. Los subproductos, para alimentación animal o electricidad. b) para usar en motores Diesel lentos en solitario o mezclados con aceites fósiles. Subproductos, como antes. 3. Forestales (de rápido crecimiento): a) Para utilizar en pastillas y quemar en calderas de pequeña y media potencia para energía térmica. b) Para transformar en polvo de carbón y quemar en calderas de pequeña potencia para energía térmica de uso doméstico e industrial. c) Para utilizar en pastillas en grandes centrales (10-30 MW), mediante turbinas.

Los biocombustibles líquidos. Aceites

Parámetro

Fórmula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Densidad relativa . . . . . . . . . . . . . . . Viscosidad a 20 °C (cSt) . . . . . . . . . Temperatura de: – ebullición (°C) . . . . . . . . . . . . . . – congelación (°C) . . . . . . . . . . . Punto de inflamación (°C) . . . . . . . . Calor latente (kJ/kg) . . . . . . . . . . . . Relación estequiométrica . . . . . . . . Límite de inflamabilidad (% en volumen) . . . . . . . . . . . . . . Punto de enturbiamiento (°C) . . . . . PCI (MJ/kg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (MJ/l) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

245

Aceites vegetales en general

Metanol 1

Etanol 1

Aceite de girasol 2

CH3OH 0,80 0,75

C2H5OH 0,79 1,51

– 0,92 70

0,90-0,92 55-95

65 –95 –1 1.167 8,7

78 –118 13 925 9,0

150 – – – –

150-300 – – – –

6-36 – 19,9 15,9

1-14 – 26,8 21,3

– –7 39,8 36,6

– – 37-39,5 36-39

Producto puro. En productos comerciales hay un 2-8% de agua. Aceite filtrado.

Figura 7.1. Características generales de distintos combustibles líquidos renovables obtenidos a partir de la biomasa.

Características

Cacahuete

Colza

Copra

Algodón

Palma

Soja

Girasol

Gasóleo

Densidad a 20 °C . . . . . . . . . . . . . .

0,914

0,916

0,915

0,915

–

0,916

0,924

0,835

Viscosidad (cSt) a temperaturas de 20,0 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37,8 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50,0 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80,0 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100,0 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88,5 – 29,0 12,5 –

77,8 – 25,7 11,0 –

– 29,8 – – 6,1

69,9 35,9 24,8 – 8,4

– – 28,6 12,5 8,3

– 28,5 – – 7,6

65,9

4,2

34,9

2,2

Punto de fusión (°C) . . . . . . . . . . . .

0/–3

0/–2

20/28

0/–4

23/27 –12/–29

–6

–12

Composición química (% en masa) C .......................... H .......................... O..........................

77,3 11,8 10,9

77,9 11,7 10,4

73,4 11,9 14,7

77,7 11,7 10,9

76,4 11,7 11,5

78,3 11,3 10,3

39/41 36,7 33,5

32/36 37,4 34,3 0,25 0,0001

40/42 37,4 34,2

35/40 36,8 33,7

38/40 36,5 –

36/39 36,8 33,7

33 34,1

52 35,4

0,42 0,01

0,15 0,29

Número de cetano . . . . . . . . . . . . . . PCI (MJ/kg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PCI (MJ/dm3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Residuo carbonoso (%) . . . . . . . . . . Azufre (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 7.2. Características de diferentes aceites vegetales en comparación con el gasóleo.

246

Los biocombustibles

3. Ventajas e inconvenientes de estos cultivos Entre las ventajas de utilizar estos cultivos, tenemos: • La polivalencia del empleo de este producto en su transformación en energía, bien para electricidad, calor, o directamente en un motor de combustión interna. • Los motores admiten, mal que bien, este combustible; Diesel, en 1900, hizo funcionar su motor con aceite de cacahuete. • El petróleo no durará siempre; es cierto que vamos retardando su final, pero hoy se le suponen unos 100 años, aunque desde hace algún tiempo se va alejando este final continuamente. En efecto, hace sólo 30 años se pensaba que quedaban unos 70 de utilización de esta fuente de energía; el aumento es debido a que se encuentran más bolsas de crudo y a que algunas que se consideraban inaccesibles económicamente, han dejado de serlo merced a las mejoras conseguidas en los nuevos sistemas de extracción y refinado. • Diversificación de la producción agrícola, precisamente hacia este tipo de cultivos. • Protección del medio ambiente; la combustión del aceite no altera el equilibrio del CO2; tienen menos sulfuros, se manipulan y almacenan con mayor facilidad, salvo excepciones. • Se disminuye la dependencia de los países productores de petróleo. • Aprovechamiento de los subproductos. Por otra parte, entre las desventajas: • Las operaciones que requieren los combustibles antes de su empleo en el motor (aditivos, esterificación, calentamiento, etc.). • Las modificaciones, que, en general, necesitan los motores al querer utilizar estos combustibles alternativos. • El precio, que es mayor que el del combustible derivado del petróleo (75-95 dólares/barril); este apartado, como todos los económicos, requiere una continua revisión, pero a largo plazo, acabará perdiendo la partida el petróleo, debido a su aumento de precio cuando haya escasez (es obvio que no durará siempre), y a la lógica disminución del combustible alternativo, por los nuevos sistemas de extracción de aceite y mejores rendimientos obtenidos en cuanto se acepte su uso y se estudien más a fondo los sistemas industriales. • Las prestaciones, un poco menores que en los motores convencionales, quizás por estar éstos mucho más estudiados. Además de esto, y según el estado propio en que se encuentran estos combustibles, su forma de empleo adecuada parece ser la siguiente: • En combustibles sólidos, la combustión directa como biomasa en calderas, para producir calor o empleo en desecación; la relación de energía (input/output) puede llegar a ser superior a 3. • En combustibles líquidos, la esterificación puede ser el ideal, al utilizarse en motores que actualmente están en uso; la relación de energía, contando los subproductos, alcanza el valor de 2,4.

Los biocombustibles líquidos. Aceites

247

• En combustibles gaseosos, obtenidos por pirólisis o fermentación, usado para obtención de calor, con relaciones de 2,7 a 2,9. Hay tecnologías que consiguen un gas de un poder calorífico inferior de 20 a 25 MJ/m3.

4. Beneficios potenciales derivados del uso de productos biológicos como fuente de energía El desarrollo de nuevos cultivos energéticos y el uso alternativo de cultivos tradicionales puede producir una serie de beneficios potenciales, entre los que se pueden mencionar los siguientes: • Mejora en el uso de los recursos agrícolas y forestales. El desarrollo de mercados alternativos para productos agrícolas puede llevar a un mejor aprovechamiento del suelo, subutilizado en muchas zonas europeas. Aproximadamente, 0,8 millones de hectáreas se han abandonado para el cultivo dentro de la idea del set aside. • Reducción de los excedentes y del gasto derivado. La introducción y desarrollo de cultivos energéticos puede reducir en parte los problemas de excedentes, dedicando una parte de la superficie de los cultivos a otros nuevos. Sin embargo, la sustitución puede conducir a resultados no previstos; hace falta estudios económicos para prever las posibles consecuencias. • Incremento en las rentas agrícolas y diversificación de mercados. La reforma de la PAC trata de eliminar los precios de intervención y compra pública, para permitir que los precios se aproximen a los niveles internacionales. Como la agricultura actual se basa en la producción de un número limitado de productos con precios a la baja, las rentas de los agricultores europeos están disminuyendo. En este contexto, las tierras destinadas a set aside podrían dedicarse a usos no alimentarios, y recibir un apoyo económico. Los agricultores, entrando en programas de reforestación y de cultivos energéticos, diversificarían sus ingresos y aumentarían sus ganancias globales. El ahorro obtenido en la reducción del apoyo a los cultivos excedentarios podría emplearse en incentivar este tipo de programas. • Revitalización de economías rurales y generación de empleo. Los cultivos energéticos y el uso de biocombustibles pueden apoyar las economías rurales en dos aspectos: por el uso adicional de los recursos de las explotaciones agrarias, creando empleo directo, y por la manufactura y comercialización del producto, que debería ser otra fuente de riqueza en la comunidad rural. Sin embargo, es necesario un estudio más profundo sobre el mecanismo a seguir en este proceso. Por otro lado, las sociedades rurales consumen cantidades importantes de energía (más del 7% de la energía total en la UE) en forma de consumo directo, en transporte de productos agrícolas o en bienes de producción. Sería interesante que la energía obtenida por cultivos energéticos cubriera parte de las necesidades del área rural en la que es producida. • ∑ Mejora de la competitividad internacional: comercio exterior. La promoción de nuevos usos para los cultivos tradicionales, o los cultivos bioenergéticos,

248

Características

Aceites de colza

Aceites de girasol

Aceites de soja

Gasoil ligero

max 860 55 3,7 – –10 41.860 0,05 0,02 86,5 13,4 0,1 0 2.300

1

Densidad a 20 °C (kg/m3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

918

925

919

2 3

Temperatura de ignición (°C) . . . . . . . . . . . . . . . . . Viscosidad a 20 °C (mm2/s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viscosidad a 100 °C (mm2/s) . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura de fluidez (°C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Poder calorífico inferior (kJ/kg) . . . . . . . . . . . . . . . . Coque (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cenizas (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carbono (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hidrógeno (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Azufre (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oxígeno (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oxígeno mínimo (m3/kg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

142 71,5 7,68 –18 36.620 0,29 0,069 78,2 12,2 0 9,6 2.076

180 63,5 7,21 –17 36.582 – – 77,5 11,4 0 10,6 2.011

157 60,4 7,66 –11 36.795 – 0,027 76,9 11,3 0 10,4 1.996

4 5 6 7 8 9 10 11 12

Fuente: Radovanovic et al. (1995). Figura 7.3. Características de bioaceites y otros.

Fueloil

– 100 – 21 – 39.700 15 0,20 86,6 11,0 1,0 1,0 2.366

Los biocombustibles

Número

Los biocombustibles líquidos. Aceites

Figura 7.4

249

250

energía solar 156 GJ/ha

paja de colza 78.2 GJ/ha

aceite de colza parcialmente refinado 48.1 GJ/ha

medios técnicos 17.7 GJ/ha

metanol (2.7 GJ/ha)

fábrica (0.3 GJ/ha)

desgomado (0.5 GJ/ha)

transesterificación (0.4 GJ/ha)

transesterificación

refino

almazara

cultivo

Figura 7.5

aceite refinado de colza en bruto 49.6 GJ/ha

glicerina 2.2 GJ/ha

fosfatos, etc. 1.5 GJ/ha

harina de semilla de colza 28.2 GJ/ha semilla de colza 77.8 GJ/ha

energía del proceso 4.6 GJ/ha

Los biocombustibles

Diagrama de flujo de energía para la obtención de metiléster de aceite de colza (RME)

RME 47.8 GJ/ha

pérdidas de energía (23.1 GJ/ha)

Los biocombustibles líquidos. Aceites

251

pueden desarrollar la exportación de los bienes industriales o de las tecnologías correspondientes. Además, toda mejora en la reducción de excedentes puede ayudar a encontrar soluciones en cuestiones como el GATT. • Otras interesantes ideas pueden ser la biodiversidad que genera la introducción de nuevos cultivos, así como la posibilidad de renovar estos recursos de forma permanente, de cara a las futuras generaciones. Podemos observar, pues, que la PAC contiene una nueva orientación de la política (abandono de tierras, medidas de reforestación y orientación hacia cultivos no alimentarios) que, en principio, podría afectar positivamente al desarrollo de un proyecto bioenergético agrario e industrial. Si los biocombustibles llegaran a ser una parte importante del suministro de energía, sería más conveniente utilizar aceites vegetales y sus ésteres que alcoholes. Los cultivos para azúcar o almidón tienen mercados establecidos que se podrían ver afectados.

5. Efecto de los biocombustibles sobre el medio ambiente En toda Europa se es consciente de la importancia del medio ambiente. Una mayor producción puede llevar a una mayor sobreexplotación y a la degradación de los recursos naturales. Los biocombustibles pueden ayudar a mejorar esta situación. El inmejorable efecto de estos combustibles es la reducción, en buena parte, de los gases nocivos emitidos por los motores de combustión: monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre, compuestos volátiles, plomo, etc. Se eliminaría, de este modo, el recalentamiento global de la atmósfera debido al efecto invernadero por culpa del dióxido de carbono desprendido en la combustión de los derivados del crudo. No obstante, como contrapartida, aumentará el uso de fertilizantes y productos fitosanitarios, si pretendemos generar una cantidad de biomasa desmesurada. Se debería, en este caso, investigar en nuevas tecnologías, y recomendar sistemas como el laboreo mínimo y la siembra directa.

6. Análisis económico de los biocombustibles La subida de los precios del petróleo en el año 1973, la crisis energética de 1979 y la nueva subida de los precios del petróleo en 2003, que se mantiene hasta nuestras fechas (2008), junto al problema del cambio climático, han tenido como consecuencia un nuevo diseño en la política económica de los países desarrollados. Uno de los objetivos es la disminución de las importaciones de petróleo, carbón y gas natural, para asegurar la estabilidad del precio de la energía con respecto a las fluctuaciones internacionales. Los biocombustibles presentan la ventaja de ser renovables, autóctonos y de interés medioambiental. Sin embargo, su producción cuesta en la actualidad el doble del

252

Los biocombustibles

precio del derivado del crudo, antes de la aplicación de impuestos. Por lo tanto, no son competitivos sin alguna forma de apoyo económico. El coste de la materia prima es cada vez más importante, por lo que las decisiones de la PAC en cuanto a precios agrícolas son decisivas. La cosa cambiaría mucho si se tratara de cultivos excedentarios. En la actualidad, el coste mínimo de producción se obtiene cuando se trata de plantas de tamaño intermedio, como puede ser el caso del girasol. En cuanto a su uso, los principales consumidores de energía son el transporte y la industria. En cualquier caso, el cambio no podría ser drástico, sino gradual a lo largo de un gran período de tiempo. Se considera más fácil empezar por el uso de los compuestos oxigenados como aditivos para alcanzar el número de octano necesario. También se ha de tener en cuenta la existencia de subproductos, como la glicerina, cuyo mercado se vería enormemente afectado. La política tiene que pasar por la subvención del gobierno, para que, poco a poco, se vaya introduciendo este nuevo tipo de combustible.

7. Diversas tendencias. Aceites y biodiésel Dentro de los combustibles líquidos, la elección se debe realizar hoy en día entre dos tipos de productos provenientes de la biomasa: los alcoholes, por un lado, y los aceites y sus derivados, por el otro. En la búsqueda por combustibles alternativos, nos encontramos con la posibilidad de los aceites vegetales y, dentro de este mundo, con los metilesteres, para emplear en motores que utilicen el ciclo termodinámico Diesel. Nosotros empezamos tanteando la utilización de aceites vegetales puros o en mezclas con el combustible convencional (en Córdoba, en 1981, se leyó una tesis doctoral con aceites de soja y algodón en mezclas con gasoil que tenían hasta un 50 % de aceite); las diferencias con el combustible que aspiraban a sustituir eran lo bastante acusadas como para que no se insistiera demasiado en el estudio. La tipología de los aceites es muy diversa, y depende también del cultivo de procedencia; así, en el caso del olivo, en función de su calidad (sobre todo, alimenticia), debemos tener en cuenta los siguientes tipos: 1. Aceite de oliva virgen: obtenido por procedimientos mecánicos o físicos, en condiciones térmicas que no alteren el aceite, y sin haber sufrido tratamientos distintos al lavado, decantación, centrifugado y filtración. Hay tres tipos: A) Aceite de oliva virgen extra, con acidez máxima de 1 º. B) Aceite de oliva virgen fino, de acidez inferior a 2 g por 100 g, expresado en ácido oleico (2 º). C) Aceite de oliva virgen lampante, hasta 3,3 g por 100 g, lo que le confiere un gusto defectuoso. 2. Aceite de oliva refinado. 3. Aceite de oliva puro: constituido por una mezcla de aceite de oliva virgen apto para el consumo y de aceite refinado.

Los biocombustibles líquidos. Aceites

253

4. Aceite de oliva crudo: obtenido mediante tratamiento con disolventes del orujo de oliva, con exclusión de los obtenidos por reesterificación y otras mezclas de aceites. 5. Aceite de orujo refinado: el anterior, con una acidez menor de 0,5 º. 6. Aceite de orujo de oliva: mezcla del anterior con aceite de oliva virgen distinto del lampante, y acidez menor de 1,5 º. En general, se suele hablar de tres calidades distintas de los aceites de origen vegetal: aceite bruto, aceite refinado y aceite esterificado. Para empezar, el aceite bruto es el que se obtiene en primer lugar, mediante cualquiera de las técnicas industriales en uso hoy en día, como puede ser el prensado o algún disolvente. El refinado es el que ha sufrido unos tratamientos de limpieza, decoloración y corrección de pH. Finalmente, el esterificado es el resultado de la reacción química entre este aceite y un alcohol (metanol en el caso del metiléster). La elección del cultivo no es fácil, teniendo en cuenta que hay más de 300 especies capaces de producir aceite en cantidades industriales. En general, es mayor la producción por unidad de superficie en las especies arbóreas pero, en cuanto tenemos en cuenta el factor económico, la recolección decide rápidamente, al estar más mecanizada en el caso de las especies arbustivas. Actualmente, la producción de aceite se realiza en explotaciones particulares, en cooperativas y a escala industrial; pero el principal cultivo para estas necesidades energéticas parece ser la colza (rape), aunque no debemos despreciar el girasol (sunflower), sobre todo en España, donde se trata de un cultivo muy arraigado. En lo referente a las aplicaciones energéticas, el aceite bruto se obtiene a partir de prensa, por ser más sencillo y fácilmente utilizable por cualquier instalación, por pequeña que sea, mientras que el sistema de disolventes (normalmente hexano) se deja para mayores cantidades. El rendimiento es distinto en ambos casos, pasando de un 32 % en el primer caso hasta el 40 % en el segundo, pues con disolvente se obtiene la casi totalidad del aceite de la semilla (hablando en los casos más usuales, de la colza y el girasol). Estos aceites, en éste su estado natural, tienen unas características que no se parecen en absoluto a las de los combustibles derivados del petróleo, en especial la viscosidad, que es mucho mayor (algunos aceites son casi sólidos a temperaturas ambientes propias de nuestras latitudes). Esta cualidad es de importancia fundamental, teniendo en cuenta que, desde su misma creación, la tendencia consiste en beneficiar cada vez más el uso del gasoil como combustible en este tipo de motores.

8. Problemas derivados del uso de aceites vegetales Los principales problemas derivados de la utilización de aceites vegetales pueden presentarse sucintamente: • Alta densidad de los aceites frente al gasóleo.

254

Los biocombustibles

• Inestabilidad de los mismos debido a las insaturaciones de los ácidos grasos. • Alto coste en comparación con los combustibles líquidos fósiles. • Una viscosidad excesiva que dificulta la fluidez del combustible. • Consumo específico mayor en los motores. La viscosidad, como decimos, es el problema limitante; implica la necesidad de aumentar la fluidez del aceite. Frente a esto, se plantean dos alternativas: • Conseguirlo por un calentamiento del aceite previo, con un posible funcionamiento en régimen dual del motor (empezar con gasoil y seguir con aceite), o bien con motores que no trabajen con empleo de inyección directa. • Modificar las propiedades químicas a través de una reacción de transesterificación que dé lugar a un metilester de mayor semejanza al gasóleo en cuanto a sus características.

9. Esterificación La esterificación es el método más sencillo para acercar las características de los aceites a las del gasoil, y el resultado es lo bastante bueno como para que se pueda hacer la sustitución sin que el sistema sufra menoscabo alguno. Unicamente, es preciso tener cuidado en algunos aspectos puntuales, como puede ser el ataque del éster sobre algunas conducciones, depósitos en la bomba de inyección y en la cámara de combustión, dilución en el aceite lubricante. Todo ésto tiene una solución bastante sencilla, pasando por la elección de ciertos materiales y lubricantes, y efectuando un mantenimiento con mayor frecuencia. Previamente, se exige la extracción y refino del aceite de semilla. O bien la limpieza y el refino del aceite usado. Se mezcla con un exceso de metanol (la relación estequiométrica es de tres moles de alcohol por mol de aceite) en presencia de un catalizador de la reacción (que suele ser KOH, pero que puede ser otro alcalino o ácido). Poniendo doble cantidad de alcohol (que es normal), se necesita un tiempo comprendido entre 1 y 8 horas (según la temperatura) para obtener el metiléster, a la vez que una fase acuosa a base de glicerina. Lo normal es usar un reactor discontinuo con un agitador. Para grandes producciones, se puede emplear un método continuo. La reacción se puede parar añadiendo ácido fosfórico. Se separa la fase acuosa. Se evapora el alcohol en exceso, destilándolo para volverlo a emplear. Se puede centrifugar el éster para eliminar cualquier residuo de agua. Un rápido estudio indica que 100 kg de aceite y 11 kg de metanol (con catalizador) producen en una hora (a 70 ºC) una cantidad de 100 kg de diester (sinónimo de biodiesel, contracción de diesel y éster) y 11 kg de glicerina. Precisamente, el problema puede ser la gran cantidad de glicerina que introduciríamos en el mercado. Europa está abastecida, y se podría llegar a producir una cantidad similar a la necesaria. Si consideramos una producción de semilla de colza de 3 t/ha con un porcentaje del 40% de aceite (que podría llegar al 45 o al 50%), obtendremos una producción neta de 1.200 kg/año.ha de combustible (1.300 litros). Además, proporcionaría una cantidad de 1.800 kg de torta útil para alimentación animal, así como 3 toneladas de paja. Todo

Los biocombustibles líquidos. Aceites

255

esto, representa, en cuanto a cantidad total de combustible, entre 1.900 y 2.500 kg de petróleo por hectárea. En conjunto, pues, se obtiene una energía total de 50 GJ/ha con un rendimiento («ratio») aproximado de 3. El lado negativo en cuanto a la parte energética reside en el hecho de la pérdida del alcohol usado para el éster, pero se puede perdonar fácilmente. El problema que aparece es el de la ausencia de una definición exacta del producto, y poderse dar el caso de que se presenten a la venta mezclas distintas y con características diferentes. Las especificaciones se elaboran paulatinamente y de forma discontinua, ofreciendo unos resultados diferentes entre los distintos Estados y no siempre contrastados.

10. Normativas europeas Se puede observar, a continuación, un resumen de la reglamentación de los países europeos más introducidos en el tema: NORMATIVA ITALIANA Acidez total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cenizas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Densidad a 15 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fósforo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metiléster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Punto de inflamación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Azufre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viscosidad a 40 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0,5 mg KOH/g 700 ppm 0,01% 860 - 900 kg/m3 10 ppm 0,2% Más de 98% 100 °C 0,01% 3,5 - 5,0 mm2/s

NORMATIVA FRANCESA Metiléster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Monoglicéridos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acidez total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fósforo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Más de 96,5% Menos de 0,8% 200 ppm 0,1% 1 mg KOH/g 3 ppm

El país que más se está dedicando en Europa es Austria, con una capacidad que alcanza ya las 15.000 t/año, siendo la pionera la Sociedad Biodiesel de Ascharach, con una red comercial de distribución propia. Le secunda Francia, que está poniendo en servicio unas instalaciones que le permitirán procesar 25.000 t/año de biocarburante en breve plazo.

256

Los biocombustibles

Por el momento, España no se ha planteado imponer especificaciones propias; únicamente busca contrastar y discutir características que amenazan con marginar el girasol como fuente posible de obtención de biocombustibles; entre éstas, existe el parámetro “índice de yodo”, que permite evaluar el grado de componentes insaturados de los ácidos grasos. El límite máximo de la normativa prevista es de 115, y se da la circunstancia de que esta propiedad es mayor que el límite en el caso del girasol, por lo que parecería ser que se quiere excluir su empleo en este apartado. Es muy importante, si tenemos en cuenta que nuestras condiciones climáticas resultan muy favorables para este cultivo. Sin embargo, no está demostrado que, superando ese valor, el rendimiento del motor disminuya. Se trata, mejor, de una estrategia que marginaría a uno de los grandes productores potenciales de este tipo de biomasa. El límite deberá ser aumentado para incluir al girasol, aunque se empieza a desarrollar una línea de investigación en mejora genética que disminuya la proporción de ácidos grasos.

11. Ventajas e inconvenientes adicionales Podemos reseñar otras ventajas: • Los residuos se degradan en menos de 21 días en una cantidad de 98,3%. • La reducción de emisión de aldehídos del 60 al 70 %. • Menor emisión de compuestos aromáticos, en un 40 %. • Menor emisión de óxidos nitrogenados. • Se cierra el ciclo de CO2, con lo que el efecto invernadero es nulo. • Ligero aumento del rendimiento energético, en algunos casos. • Desaparecen casi por completo las partículas carbonosas y los derivados del azufre. • El hollín apenas es visible (aunque hay más partículas) • No es tóxico y es seguro en su manejo si es puro (cuidado con la glicerina y metanol en otro caso). A su vez, observamos los siguientes inconvenientes: • Pérdida de un 5 % de potencia. • Residuos en inyectores, cámara, pistón y asientos de válvulas. • Dilución del aceite del motor, lo que implica un aumento de la frecuencia del cambio del mismo. • Mayor frecuencia también en la sustitución del filtro de combustible (cada 130 h en vez de 200 horas). • Disuelve el asfalto. • Problemas en el arranque en frío en invierno. Son numerosos los países europeos que están realizando pruebas para esterificar los aceites vegetales, tanto en laboratorio como en plantas piloto. Estas últimas se encuentran actualmente beneficiadas fiscalmente, con la exención del impuesto de hidrocarburos.

Los biocombustibles líquidos. Aceites

257

12. Utilización en motores El coste es mayor, pero es una cuestión de tiempo: podrá evitarse si se profundiza en los estudios de mejora genética (mayor contenido en aceite de las semillas); si se mejora en la aplicación de los medios necesarios de cultivo, así como en la industrialización del proceso de extracción del aceite. A su vez, ha sido necesario estudiar las modificaciones pertinentes en los motores para conseguir optimizar las curvas características correspondientes a la potencia, par motor y consumo específico para el nuevo combustible. Por otra parte, resulta de todo punto imprescindible observar los deterioros que sufren los motores a lo largo de su vida útil y plantear el cambio de aquellos materiales que se ven atacados por el biodiesel. En cuanto a problemas anejos del motor, es decir, al margen del rendimiento y las prestaciones, podemos señalar los siguientes: 12.1. Obturación de los inyectores La presencia de ácidos grasos no saturados provoca inestabilidad y da lugar a residuos de las reacciones de oxidación; estos residuos se depositan en los inyectores y pueden llegar a obturarlos. Estos depósitos producen modificaciones en la inyección de la gota, provocan combustiones incompletas y aumentan la toxicidad de los gases de escape. Además, cuando el combustible se quema de forma incompleta, actúa como disolvente del aceite de lubricación y refrigeración. Estos mismos residuos se depositan también en los segmentos, y dificultan el funcionamiento del motor. Los elementos de caucho se deterioran rápidamente, efecto que puede evitarse sustituyéndolo por otros materiales tales como el teflón u otros elastómeros de síntesis. Para evitar estos problemas, es necesario conocer la composición inicial de los aceites que se van a esterificar y así poder actuar sobre dichos componentes insaturados. De cualquier modo, éstas son soluciones de compromiso, porque se modifica también el conjunto de las características de los esteres, inutilizándolos en parte o aumentando mucho el coste. En cambio, un estudio genético en profundidad procuraría el cultivo de variedades en las que la proporción de insaturados no significara un problema. 12.2. Dilución del aceite lubricante Se están buscando soluciones a este problema apuntado en el apartado anterior, porque el coste de mantenimiento aumenta, al tener que efectuar la reposición de los aceites de lubricación en plazos más breves. 12.3. Rendimiento del motor Es cierto que, en la actualidad, resulta inferior al del mismo funcionando con el combustible convencional, para el que está diseñado, y además, desde hace mas de 100 años.

258

Los biocombustibles

No podemos olvidar la historia del motor diesel, que ha permitido a la industria alcanzar un ajuste tan fino que cualquier pequeña diferencia (como es el uso de un combustible distinto) provoca el alejamiento de su punto óptimo de funcionamiento. Precisamente, debido a esta situación, resulta previsible la posibilidad de alcanzar un diseño que mejore el rendimiento en el caso de utilizar biodiesel, bien en estado puro, bien en el porcentaje de mezcla que se considere más aconsejable para su uso.

13. Aspectos económicos A pesar de todas las dificultades técnicas que parece que se presentan a raíz de esta exposición general, es necesario indicar claramente que no son estos inconvenientes los que actualmente elevan barreras al uso generalizado de los metilésteres de origen vegetal, sino los problemas económicos que de una forma directa o indirecta se derivan de su empleo. Principalmente, estos aspectos económicos son los siguientes: • Aspectos fiscales. Inicialmente, puede tener ventajas debido a la exención de impuestos. Posteriormente, los gravámenes se acercarán a los tipos impositivos que afectan a combustibles fósiles con similares prestaciones. • El proceso de obtención del metilester condiciona la oferta del producto a un coste superior al del equivalente mineral aún en el caso de no haber gravado aquél y sí éste. • Las dificultades derivadas de adecuar los canales de distribución de los nuevos combustibles. Este tipo de aceites esterificados se puede emplear en cualquier motor de encendido por compresión, al ser sus variables tan similares a las del combustible ordinario. En el resto de los casos se pueden emplear emulsiones, o mezclas de gasóleo con el aceite, o tratarse previamente de algún modo. Se excluye, entre estos sistemas, el mezclado del aceite vegetal con gasóleo, que generalmente conduce a valores intermedios de las propiedades de ambos, y que se calculan por ponderación de las proporciones de los componentes. En muchos casos, la mezcla del 5 al 10 % del aceite vegetal puro con gasóleo se hace sin ningún tipo de variación en los motores y, a efectos de este estudio, no se ha considerado, ya que se viene utilizando corrientemente en varios países europeos, sin demasiados inconvenientes. Una ligera estimación de la cantidad de gasóleo a sustituir hace evidente en el presente y en un futuro inmediato la imposibilidad de conseguir el volumen necesario de aceites vegetales, por lo que, aparte del valor científico de la combustión del aceite puro, no parece ser una solución a corto plazo.

14. Diversas soluciones La solución de muchos de los problemas que crea el aceite puro pasa por la transesterificación, que da origen a este combustible denominado «éster metílico del aceite correspondiente», abreviadamente en inglés FAME (Fatty Acid Methilester).

Los biocombustibles líquidos. Aceites

259

El aceite bruto o refinado, en cambio, no se puede emplear en aquellos motores que utilizan el sistema de inyección directa (que son los presentes en la mayor parte de la maquinaria agrícola), pues producen en poco tiempo depósitos carbonosos en los inyectores, dificultando la pulverización dentro de la cámara, y acabando con el funcionamiento del motor en unos pocos cientos de horas. Este aceite, no obstante, se puede utilizar en el caso de motores con precámara, que es como hacer, sí bien que teóricamente, la combustión en dos etapas: una primera a alta presión, con exceso de combustible, y otra a baja presión y temperatura también baja, con exceso de aire y una disposición que favorece la creación de un torbellino. El inconveniente es el aumento del consumo específico en un 5%, y la disminución de la potencia en un porcentaje similar. Otra solución puede ser la que se basa en una mezcla de aceite vegetal con gasolina y alcohol, y que se distribuye en Alemania desde principios de 1993 con el nombre de Tessol. También se puede usar la solución de calentar el aceite vegetal puro para disminuir su viscosidad. Este calor se puede proporcionar: eléctricamente, mediante cambiadores de calor con el aceite de refrigeración, o con el calor perdido por el motor. Distinto sistema es el motor adaptado tipo Elsbett, que, desde el año 1982, cubre esta gama de diseños y soluciones específicas. Otra forma es optar por el régimen Dual, es decir, arrancar con el combustible tradicional, y calentar de este modo el aceite hasta que su viscosidad nos permita utilizarlo. En el resto de los casos se pueden emplear emulsiones, o mezclas de gasóleo con el aceite, o tratarse previamente de algún modo. Se excluye, entre estos sistemas, el mezclado del aceite vegetal con gasóleo, que generalmente conduce a valores intermedios de las propiedades de ambos, y que se calculan por ponderación de las proporciones de los componentes. En muchos casos, la mezcla del 5 al 10% del aceite vegetal puro con gasóleo se hace sin ningún tipo de variación en los motores y, a efectos de este estudio, no se ha considerado, ya que se viene utilizando corrientemente en varios países europeos, sin demasiados inconvenientes. Una ligera estimación de la cantidad de gasóleo a sustituir hace evidente en el presente y en un futuro inmediato la imposibilidad de conseguir el volumen necesario de aceites vegetales, por lo que, aparte del valor científico de la combustión del aceite puro, no parece ser una solución a corto plazo. Cualquiera que sea el sistema empleado, se ha llegado siempre a unos resultados parecidos.

15. Uso del metiléster de girasol en los motores de ciclo diesel A continuación, se observan los valores obtenidos de un análisis realizado, en 1995, sobre una muestra de metilester de girasol esterificado por BIVA, Biocombustibles Vascos, Bilbao.

260

Los biocombustibles

Densidad a 15 °C . . . . . . . Viscosidad a 40 °C . . . . . . Flash Point . . . . . . . . . . . . Punto de obturación . . . . de filtro frío (POFF) Azufre . . . . . . . . . . . . . . . . Residuo carbonoso Conradson . . . . . . . . . . (sobre 10% final destilación) Número de cetano

Cenizas . . . . . . . . . . . . . . . Partículas . . . . . . . . . . . . . Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrosión al cobre . . . . . . Estabilidad a la oxidación .

Unidades

Método

Muestra Biogirasol OP01

Especificaciones UE

g/cm3 mm2/s °C °C

ASTM D-1298/85 ASTM D-445/88 ASTM D 93/90 IP 309/83

0,8851 5,4 162,3 –5

0,86-0,90 3,5-5,0 > 100 8) pueden aparecer problemas de precipitación de sales de Fe y Mn, provocando deficiencias en estos elementos. En suelos ácidos no crece bien: a pH < 5,7 puede haber deficiencias en P y B. • Tolera suelos calizos. • Presenta baja tolerancia a la salinidad, de 2 a 4 mmhos/cm. 2.8. Composición y necesidades nutritivas del girasol En comparación con otros cultivos, el girasol consume elevadas cantidades de nutrientes para producir buenas cosechas. Según Vebralov (1980), la distribución de N, P2O5 y K2O en las distintas partes de la planta y la extracción que la planta realiza para un rendimiento medio de 2.000 kg/ha, es:

286

Los biocombustibles

Parte de la planta

Planta entera Tallo + hojas + capítulo Raíces Semillas

Materia seca

P2O5

N

K2O

(kg/ha)

%

(kg/ha)

%

(kg/ha)

%

(kg/ha)

%

5.402 2.879 723 1.800

100 53 14 33

82 31 3 48

100 38 4 58

60 9 18 33

100 15 30 55

145 10 108 27

100 7 74 19

La absorción de nutrientes por la planta se concentra en los primeros estadios de su desarrollo. Antes de la floración se absorben las 2/3 ó 3/4 partes del total de nutrientes extraídos. •

•

•

Efectos de los principales nutrientes: Nitrógeno: El nitrógeno es necesario principalmente para el crecimiento de la planta, así como para la diferenciación y desarrollo de sus órganos. La planta necesita disponer de casi todo el N que va a consumir antes de la floración. Una carencia de N retrasa y reduce el crecimiento de la planta, y se produce una clorosis general en todas las hojas. Un exceso de N puede disminuir el contenido de aceite de la semilla, pero aumentar el contenido proteico. Fósforo: Las necesidades en fósforo son máximas durante la floración. Después del N, las deficiencias en P son las que con más frecuencia limitan la producción de girasol. Una falta de P ocasiona falta de vigor en las primeras fases de desarrollo de la planta, así como en la formación y llenado de las semillas. Los síntomas se manifiestan por una reducción del crecimiento y oscurecimiento o necrosis de las hojas más bajas. Potasio: El 75% del potasio total extraído es absorbido por la planta antes de la floración. El girasol consume grandes cantidades de K. El potasio ejerce una influencia activa en los procesos de regulación osmótica que controlan la apertura de estomas y la transpiración, lo que contribuye a la resistencia a la sequía. Una carencia en potasio ocasiona clorosis en el borde y en la región intervenal de las hojas más viejas, que pueden degenerar en manchas necróticas.

2.9. Técnicas de cultivo 2.9.1. Labores del terreno En nuestras condiciones del secano español, el agua es el principal factor limitante de la producción; por ello, el laboreo del suelo debe tener como finalidad favorecer al máximo la disponibilidad y aprovechamiento del agua, facilitando su infiltración en el suelo. Por otro lado, dado que el girasol posee raíces muy profundas, el terreno debe prepararse con labores igualmente profundas, para favorecer el desarrollo de las mismas. El girasol no soporta suelos mal aireados o mal drenados (problemas de encharcamiento); por ello, las labores deberán contribuir a mejorar la aireación y facilitar el drenaje del suelo.

El cultivo de la colza y del girasol

287

El laboreo tradicional: Consiste en una labor profunda y una o dos labores superficiales para preparar el lecho de siembra y mantener el suelo libre de hierbas indeseadas. 1. Labor profunda: Debe realizarse con suficiente antelación a la siembra. Tras recoger el cereal que precede al girasol, se procede a levantar el rastrojo, bien subsolando a una profundidad de 60 cm, o bien mediante una labor de alzar con arado de vertedera o de discos, a unos 30 ó 35 cm de profundidad, volteando el terreno. Se emplea un tractor de unos 80 CV. Con la labor de subsolado, se obtienen mejores rendimientos; no obstante, la labor de alzar es más conveniente en terrenos muy profundos. 2. Labores superficiales: Después de efectuar la labor de fondo, se dan 1 ó 2 pases de grada para mantener durante el invierno el terreno mullido y libre de malas hierbas. Además, se puede dar un pase de rulo acanalado antes de la siembra. 2.9.2. Abonado En secano, los fertilizantes se aplican en sementera, en las labores preparatorias, enterrándolos bien. En regadío, se reparte la dosis de N en dos partes iguales: la primera se aplica en sementera junto con el P y el K, y la segunda en cobertera, cuando las plantas están en el estado de cuatro hojas. En España no suele abonarse el girasol en secano, pues se ha comprobado que no modifica sustancialmente la producción; sin embargo, sí que se abona en regadío. Las dosis de fertilizantes a emplear según las distintas producciones, son:

Producción (kg/ha)

Secano Secano Regadío Regadío

700-800 1.000-1.100 2.000-2.500 3.000

Unidades de N/ha

Unidades de P2O5/ha Unidades de K2O/ha

20 40 80 100

30 40 60 80

60 90 100 150

2.9.3. Siembra 2.9.3.1. Fecha de siembra (práctica tradicional) La fecha más conveniente para efectuar la siembra se decide teniendo en cuenta varios factores agronómicos: 1. Profundidad del suelo y capacidad de retención hídrica: En suelos poco profundos (menos de 1 m) y con poca capacidad retentiva para el agua (suelos arenosos), se suele adelantar la fecha de siembra. 2. Régimen de precipitaciones: En zonas de baja pluviometría (menos de 300 mm), un adelanto en la fecha de siembra producirá mayor cosecha.

288

Los biocombustibles

3.

Régimen de temperaturas: La frecuencia de heladas primaverales y la fecha más probable de la última helada determinará la fecha más idónea para efectuar la siembra. No se sembrará hasta que la temperatura media del suelo sea de 8 a 10 °C y, por otro lado, no se debe adelantar la siembra más de 2 meses antes de la fecha más probable de la última helada; todo ello hará que no exista peligro de heladas durante el período de máxima sensibilidad del girasol (durante la floración). Se evitarán altas temperaturas en épocas críticas: floración y principio de maduración. El girasol es tradicionalmente un cultivo de primavera. La fecha normal de siembra es en los meses de marzo y abril. Andalucía es la región española donde más temprano se realiza la siembra (siembra invernal), de enero a febrero. En zonas frescas de Castilla-León, puede incluso retrasarse hasta mediados del mes de mayo. 2.9.3.2. Profundidad de siembra Depende de la fecha de siembra, de la temperatura, de la humedad y de la textura del suelo, manteniendo los siguientes principios: • Si la siembra es temprana, la profundidad ha de ser menor que si la siembra se realiza en época tardía. • En zonas húmedas con primaveras cálidas, la siembra se hace a una profundidad de 3 a 5 cm, y en zonas de poca precipitación y suelo seco debe ser de 6 a 8 cm. • En suelos ligeros (arenosos o limosos), la profundidad será mayor que en suelos pesados (arcillosos) ya que en los ligeros la resistencia a la emergencia de las plántulas es menor. 2.9.3.3. Densidad de siembra El girasol reacciona a distintas densidades ajustando el número de semillas por capítulo y el peso medio de la semilla. Así, a densidades de siembra bajas, aumenta el peso de la semilla y el número medio de semillas por capítulo. La densidad de plantas vendrá condicionada por la fertilidad del suelo, régimen de precipitaciones y variedad.

Secano árido . . . . . . . . . . . . Secano fresco . . . . . . . . . . . Regadío . . . . . . . . . . . . . . . .

Rendimiento medio (kg/ha)

Densidad (plantas/ha)

Menos de 900 De 900 a 1.500 Más de 1.500

30.000-40.000 40.000-60.000 60.000-90.000

2.9.3.4. Dosis de siembra Se calculará teniendo en cuenta el calibre de la semilla, la densidad de plantas prevista, el poder germinativo de la semilla (mínimo, 85%) y la pérdida de semilla que se

El cultivo de la colza y del girasol

289

puede prever al sembrar debido a condiciones ambientales desfavorables (aproximadamente un 20%). Se recomiendan las siguientes dosis de siembra (kg/ha):

Calibre

Estándar Medio Grueso

Peso de 100 semillas (g)

4,5-6 6-7,5 > 7,5

Densidad de siembra (pl/ha) 40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

2-2,5 2,5-3 >3

2,5-3 3-3,7 > 3,7

3-3,5 3,7-4 > 4,5

3,5-4,5 4,5-5,5 > 5,5

4-5 5-6 >6

2.9.3.5. Marco de plantación En función de la densidad de siembra, el marco de plantación viene definido por la distancia entre las líneas de plantas. En las condiciones españolas de secanos húmedos con rendimientos entre 1.000 y 1.500 kg/ha, se recomienda una distancia entre líneas o surcos de 55 a 75 cm. En peores condiciones (zonas áridas y secanos marginales) de rendimiento menor a 1.000 kg/ha, será de 80 a 100 cm, para que las plantas puedan disponer de agua en las fases críticas de floración y maduración. Una vez fijada la separación entre líneas, la distancia entre plantas dentro de cada línea (expresada como número de plantas en 10 metros lineales), vendrá definida por: N.° de plantas (en 10 m) = Densidad (pl/ha) × Distancia entre líneas (cm) × 10–5 Siembra invernal: La preparación del suelo se realiza de la misma forma que para siembra en primavera. Para el girasol de invierno, la recomendación de abonado para un rendimiento medio de 1.500-2.000 kg/ha, sería: — 80 kg N/ha. — 40 kg P2O5/ha. — 100 kg K2O/ha. La siembra debe ser superficial (de 2 a 3 cm), y se debe usar una dosis mayor en un 60-80% a la dosis normal de primavera. La densidad de siembra estará comprendida entre 50.000 y 60.000 plantas/ha. Los rendimientos aumentan un 10-15%, así como el contenido en grasa. Al germinar con temperatura baja, la germinación es más lenta (inconveniente de la posibilidad de ataque de pájaros), pero la floración se adelanta y se evita que la plena floración coincida con los golpes de sol que pueden tener lugar en junio y julio. Se pueden sembrar variedades de ciclo largo y más productivas. 2.9.3.6. Máquina para la siembra Se emplea una sembradora de precisión. Está constituida por una serie de unidades (de 4 a 6) montadas sobre una barra conectada al tractor mediante un sistema de enganche en tres puntos; cada unidad siembra una hilera. A su vez, consta de una tolva con

290

Los biocombustibles

un dispositivo de alimentación en el fondo, que descarga las semillas individualmente en un tubo que las sitúa detrás de un abresurcos, dejándolas caer en la tierra. El dispositivo de alimentación suele ser un disco horizontal con cavidades del tamaño de la semilla, de forma que en cada cavidad quepa una sola. Va montado sobre dos ruedas, una que acciona el dispositivo y otra que tapa el surco y aprieta la tierra alrededor de la semilla. Entre las dos ruedas está el abresurcos. 2.9.4. Desinfección del suelo Como es frecuente la presencia de insectos del suelo (gusanos grises, de alambre y blancos), se aconseja realizar un tratamiento localizado en la línea de siembra. Generalmente, se hace con máquinas microgranuladoras incorporadas a la sembradora. Se utilizan productos como: Clorpirifos 5%, Carbofuran 5%, Terbufos… 2.9.5. Labores durante el cultivo Tienen la finalidad de destruir las hierbas no deseadas antes de que supongan un peligro para el cultivo. 2.9.5.1. Binas Tras la nascencia, y hasta el estado de 4 a 5 hojas, se realizan binas (2 ó 3) muy superficiales para evitar dañar a las pequeñas plantas. Esta labor se hace con cultivador. 2.9.5.2. Herbicidas Durante la presiembra, cuando se prepara el terreno, se emplea Trifluralina 48% (Treflán). Este herbicida tiene una persistencia de 4 a 6 meses, con lo que cubre todo el ciclo del girasol. Controla las gramíneas, pero no las crucíferas ni compuestas. Se aplica en enero-febrero, es decir, lo antes posible, con el fin de evitar los residuos en el cultivo siguiente, ya que puede resultar perjudicial para el trigo o el maíz. La dosis a emplear es de 1,25-1,50 l/ha. Se incorpora al terreno mediante un pase de grada. En preemergencia, tras la siembra, se aplica generalmente Terbutrina 49% (Igrán L.), con una persistencia de 1 a 6 meses. La dosis es de 2 a 3 l/ha. Controla crucíferas y compuestas. Otro herbicida de preemergencia es el Alacloro. Este herbicida necesita humedad para ser eficaz, por lo que se emplea sobre todo en regadío. Controla gramíneas y además crucíferas, cosa que no hace la Trifluralina, por lo que se aplica como complemento de ésta. 2.9.6. Riego Aunque el girasol se considera un cultivo de secano, su respuesta al riego es muy positiva, con apreciable incremento en su rendimiento.

El cultivo de la colza y del girasol

291

Las necesidades brutas totales del cultivo del girasol, en regadío, oscilan entre 3.000 y 6.000 m3/ha, según precipitación, fecha de siembra y textura del suelo. El período de riego va desde el inicio de la floración hasta la madurez fisiológica del fruto. El riego se inicia a la 8a-9a semana del cultivo, es decir, en el inicio de la floración, en cuyo período las necesidades medias son de unos 7 mm/día. Posteriormente, se da un riego cada diez días, con una dosis de 700 m3/ha. El número de riegos depende del objetivo que se tenga en cuanto al rendimiento: • Para rendimiento de 2.500-3.000 kg/ha, 2 riegos: el primero, cuando el capítulo tenga unos 5 cm de diámetro, y el segundo, 5-7 días después de la plena floración. • Para rendimiento de 3.000-4.000 kg/ha, 3 ó 4 riegos: el primero, en estado de botón floral; los otros, se repartirán en el tiempo hasta la caída de los pétalos. • Para rendimiento de 4.000-5.000 kg/ha, de 5 a 8 riegos. 2.9.7. Recolección 2.9.7.1. Momento óptimo de la recolección Viene determinado por la madurez del capítulo y por el contenido de agua de las semillas. La madurez fisiológica se produce cuando las semillas dejan de acumular materia seca y aceite; en este período, la parte inferior del capítulo toma un color amarillo. Después, comienza la pérdida de agua de los tejidos y las semillas; en esta fase, el capítulo pasa a color amarillo-marrón y finalmente marrón. Al final (madurez agronómica), las semillas poseen un 11% de humedad, momento óptimo para la recolección. 2.9.7.2. Fecha de recolección En la zona centro, la recolección empieza a mediados de septiembre. En Andalucía, en primera cosecha se recolecta a finales de julio-principios de agosto y, en segunda cosecha (siembra a primeros o mediados de julio), se recolecta a finales de septiembre o primeros de octubre. 2.9.7.3. Recolección mecanizada Se emplea una cosechadora de cereales adaptada, subiendo el cabezal de corte a una altura de 0,3-0,6 m del suelo y añadiendo una plataforma para evitar que las semillas caigan al suelo. Se elimina el molinete y se disminuye la velocidad del cilindro desgranador a 400 ó 600 r/min, así como se varía la separación entre cilindro y cóncavo. Los capítulos cortados caen a una plataforma elevadora que los conduce al cilindro desgranador. La velocidad de avance de la cosechadora es menor que en el caso de los cereales, para evitar caídas y pérdidas de grano al chocar los capítulos con la máquina. Se recomienda una velocidad de 4 a 5 km/h.

292

Los biocombustibles

2.10. Lugar en las alternativas El girasol debe alternarse con cultivos de enraizamiento más o menos superficial (cereal) pues, debido a su gran raíz pivotante, extrae las reservas de agua y los nutrientes que existen en profundidad. En general, se aconseja no repetir girasol en el mismo terreno en un plazo de cuatro años, principalmente como medida preventiva de defensa contra enfermedades, como la producida por el hongo Sclerotinia sclerotiorum y el mildiu. Sin embargo, en muchas zonas de España, en secano, se suele sembrar cada dos años sin que se presenten graves problemas de enfermedades, debido al escaso grado de humedad relativa de la atmósfera. En secano, es muy buen precedente el trigo de otoño, pues el girasol aprovecha con éxito el agua y los fertilizantes que se aplicaron para el trigo. También son buenos precedentes para el girasol las leguminosas para grano. En la zona Centro de España se dan dos alternativas: cereal-girasol o cereal-girasol-leguminosa (en explotaciones pequeñas). En regadío, el maíz parece ser una buena predecesora para el girasol, pero debe tenerse en cuenta la consideración de que los herbicidas utilizados para el maíz suelen ser fitotóxicos para el girasol. 2.11. Plagas, enfermedades y otros daños Los principales daños ocasionados por plagas en España se producen en germinación y emergencia y en los primeros estados del desarrollo vegetativo. Las principales plagas, enfermedades y otros daños se resumen en los cuadros siguientes:

Principales plagas del girasol en España Clasificación

Daños

Prevención y control

Insectos del suelo

Gusanos grises (Rosquillas)

Orden: Lepidoptera. Familia: Noctuidae. Especie: Agrotis segetum.

Desde germinación hasta plantas de 10-15 cm Siembras tempranas. Cebos (Triclorfón de altura. Las larvas roen la raíz y base del tallo 1 kg + salvado 20 kg + melaza 0,5 provocando marchitez. kg/ha). Pulverizar con insecticida: Lindano, Triclorfón o piretroides.

Gusanos de alambre (alfilerillos)

Orden: Coleoptera. Familia: Elateridae. Especie: Agriotes lineatus.

La oruga destruye el interior de la semilla provocando fallos en nascencia. En plantas nacidas penetra en el tallo o raíz destruyéndolos, lo que debilita la planta.

Gusanos blancos

Orden: Coleoptera. Familia: Escarabeidae. Especie: Melolontha melolontha.

Las larvas se alimentan de la raíz ocasionando Aplicar insecticidas organofosforados y marchitez, con retraso del crecimiento y pérdida carbamatos sobre las líneas de siembra de cosecha. (los indicados para los gusanos de alambre).

Gorgojos de las hojas

Orden: Coleoptera. Familia: Curculionidae. Especie: Tanymecus dilaticollis

Ataque en los primeros estadios de la planta, en Evitar cultivo de girasol después de primavera, alimentándose de hojas. maíz o remolacha. Sembrar girasol tras cereal. Tratamiento en las líneas de siembra con insecticida granulado (los indicados para gusanos de alambre).

Polilla del girasol

Orden: Lepidoptera. Familia: Piralididae. Especie: Ornesoma nebulella.

Ataca al capítulo; comen polen, flores y semillas. Sembrar variedades resistentes.

Heliothis

Orden: Lepidoptera. Familia: Noctuidae. Especie: Heliothis.

Las orugas muerden las hojas y el capítulo, Pulverizar con fosforados: acefato, donde se alimentan de pipas blancas. metomilo, triclorfón o piretroides.

Pulverizar con Lindano (1-1,5 kg/ha) o aplicar insecticidas granulados en líneas de siembra (Carbofurano, Terbufos, Bendiocarb...).

El cultivo de la colza y del girasol

Insectos aéreos

293

294

Enfermedad

Daños

Prevención y control

Mildiu (Plasmopara helianthi)

Escaso desarrollo de la planta (enanismo), hojas color verde pálido.

Uso de semilla híbrida certificada, tratada con anticriptogámicos.

Podredumbre carbonosa de raíz y tallo (Macrophomina phaseolina)

Ataca a plantas adultas y en maduración, provocando muerte prematura y ennegrecimiento de sus órganos.

Evitar estrés hídrico.

Podredumbre de raíz y tallo (Esclerotinia esclerotiorum)

Ataca raíz, tallo y capítulo en maduración, produce marchitez de hojas, rotura del tallo y destrucción del capítulo.

Rotaciones con cultivos inmunes (cereal, remolacha y maíz), siembras poco densas, poco abonado nitrogenado, tratar semillas con anticriptogámicos.

Verticilosis (Verticillium dahliae)

Invade tejidos interior de raíz y tallo, produciendo manchas amarillas entre los nervios de hojas, oscurecimiento y muerte de tejidos. Ataques tempranos ocasionan enanismo y capítulos pequeños.

Uso de híbridos resistentes, semilla certificada tratada y buen control de malas hierbas.

Podredumbre gris (Botrytis cinerea)

Manchas marrones en parte posterior del capítulo.

Tratamientos químicos con Diclofuanida o tiofanato-Metil Maneb.

Podredumbre de cabeza (Rhizopus sp.)

Ataca sobre capítulos dañados. Aparece en fase de maduración. Produce manchas marrones en el capítulo.

Tratamientos químicos.

Los biocombustibles

Principales enfermedades del girasol

Plantas parásitas y otros daños Prevención y control

Jopo (Orobanche cumana)

Planta parásita del girasol de pipa blanca. Ocasiona graves problemas al germinar y establecerse sobre las raíces del girasol, de las que extrae agua y nutrientes, haciendo que el girasol crezca poco, dé poca cosecha y pueda llegar a morir.

En girasol de pipa negra sólo se deben sembrar híbridos resistentes al jopo, en girasol de pipa blanca se trata con glifosato a las dosis recomendadas.

Necrosis del capítulo

Ocasionada por desarreglos fisiológicos debidos a transpiración elevada. Si se produce cuando el capítulo empieza a desarrollarse deja de crecer y muere. Produce pérdidas de cosecha.

Evitar estrés en la fase de desarrollo del capítulo. Adelantar lo más posible la siembra y regar en momentos críticos.

Ataque de pájaros

Ataques en germinación, afectando al nº de pl./ha y al llenado de frutos y maduración.

Evitar fechas de siembra tempranas y ciclos precoces. Reducir la permanencia en campo después de la madurez fisiológica. Repelentes químicos o grabaciones de sonidos.

El cultivo de la colza y del girasol

Daños

295

296

Los biocombustibles

2.12. Estudio de costes de explotación del cultivo Girasol secano Costes directos

pta/ha

Alzar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dos pases de grada, a 3.100 pta/ha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pase de rulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Semilla: 5,5 kg. de híbrido, a 1.100 pta/kg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Siembra con sembradora a golpes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desinfección de suelos (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herbicida de preemergencia (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dos binas entre líneas (una aporcando), a 1.800 pta/ha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recolección con cosechadora contratada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transporte a fábrica: 1.000 kg, a 2 pta/kg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desbrozado de cañas: – Un pase de rulo para volcar cañas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – Un pase de rastrillo hilerador y quema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SUMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interés del capital circulante: 6% sobre 48.080 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.800 6.200 800 6.050 2.850 1.680 4.900 3.600 6.500 2.000 800 1.900 48.080 2.885

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50.965

1

15 kg de Lindano 2%, a 112 pta/kg (aplicado con localizadora a la vez que se siembra) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2,5 l de Igrán L. (Terbutrina 49%), a 1.600 pta/l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicación terrestre: 900 pta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SUMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.680 4.000 900 4.900

Costes indirectos

pta/ha

1. Como personal fijo hay un tractorista cuyo sueldo ya va incluido en los costes directos. Además, por responsabilidad en funciones de encargado de la explotación, se puede considerar que recibe una gratificación de 275.000 pesetas anuales, que repercute en una hectárea en . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.375

2. Para las tierras de secano en los términos municipales considerados, se estima un Tributo Local de Contribución Rústica de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

700

3. Seguro de accidentes del personal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.200

4. La amortización y conservación de las instalaciones se estima en . . . . . . . .

1.350

5. En concepto de agua, luz, electricidad e imprevistos se estima un coste de.

900

6. La contribución Territorial Urbana y la cuota de la Cámara de la Propiedad Urbana, se estima que repercute en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

125

7. La cuota fija de la Seguridad Social Agraria ponderada para una hectárea de secano es de. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SUMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interés del capital circulante (6%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

950 6.600 396

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.996

297

El cultivo de la colza y del girasol

Costes totales de una hectárea de secano

Pesetas

Total costes directos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Total costes indirectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dirección y Administración * . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50.965 6.996 915

TOTAL COSTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58.876

* 3% del producto total bruto. Precio de la semilla de girasol sobre almacén industrial (Reglamento 3405/93 de la CEE) = 30,50 pta/kg , en la zona Centro y Norte. Producto total bruto: 1.000 kg x 30,50 pta/kg = 30.500 pta. 3% del producto total bruto = 915 pta.

Girasol regadío (Cultivo único) Costes directos

pta/ha

Un pase de grada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abonado de fondo (sementera): 120 kg/ha de nitrato amónico 33,5%, a 26 pta/kg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 kg/ha de superfosfato simple 18%, a 16 pta/kg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 kg/ha de sulfato potásico 50%, a 43 pta/kg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abonado con abonadora centrífuga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tapar abono con grada de discos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herbicida de presiembra (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tapar herbicida con un pase de grada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pase de rulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Semilla: 6,5 kg de híbrido, a 1.100 pta/kg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Siembra con sembradora a golpes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desinfección de suelos (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herbicida de preemergencia (3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abonado de cobertera: 120 kg/ha de nitrato amónico 33,5%, a 26 pta/kg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Preparación del terreno para el riego (a pie): 1 jornada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tres riegos, a 7.000 pta/ha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dos binas entre líneas (una aporcando), a 1.800 pta/ha . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recolección con cosechadora contratada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transporte a fábrica: 2.500 kg, a 2 pta/kg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desbrozado de cañas: – Un pase de rulo para volcar cañas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – Un pase de rastrillo hilerador y quema por el tractorista . . . . . . . . . . . . . . . SUMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interés del capital circulante: 6% sobre 90.515 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.100

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2

3

3.120 5.600 8.600 2.300 3.100 2.285 3.100 800 7.150 2.850 1.680 4.900 3.120 3.360 21.000 3.600 6.500 5.000 800 1.900 90.515 5.431 95.946

1,5 l de Treflán (Trifluralina 48%), a 930 pta/l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicación terrestre: 900 pta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 kg. de Lindano 2%, a 112 pta/kg (aplicado con localizadora a la vez que se siembra) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,5 l de Igrán L. (Terbutrina 49%), a 1.600 pta/l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicación terrestre: 900 pta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SUMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.395 900 2.295 1.680 4.000 900 4.900

298

Los biocombustibles sólidos

Costes indirectos

pta/ha

1. Como personal fijo hay un tractorista cuyo sueldo ya va incluido en los costes directos. Además, por responsabilidad en funciones de encargado de la explotación, se puede considerar que recibe una gratificación de 275.000 pesetas anuales, que repercute en una hectárea en. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.500

2. Para las tierras de regadío en los términos municipales considerados, se estima un Tributo Local de Contribución Rústica de . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.900

3. Seguro de accidentes del personal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.800

4

1.350

La amortización y conservación de las instalaciones se estima en. . . . . . . .

5. En concepto de agua, luz, electricidad e imprevistos se estima un coste de

900

6. La contribución Territorial Urbana y la cuota de la Cámara de la Propiedad Urbana, se estima que repercute en. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

125

7. La cuota fija de la Seguridad Social Agraria ponderada para una hectárea de regadío es de. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.200

SUMA

..................................................

18.775

Interés del capital circulante (6%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.127

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.902

Costes totales de una hectárea de regadío:

Pesetas

Total costes directos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Total costes indirectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dirección y Administración * . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95.946 19.902 2.288

TOTAL COSTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

118.136

* 3% del producto total bruto. Precio de la semilla de girasol sobre almacén industrial (Reglamento 3405/93 de la CEE) = 30,50 pta/kg, en la zona Centro y Norte. Producto total bruto: 2.500 kg x 30,50 pta/kg = 76.250 pta. 3% del producto total bruto = 2.288 pta.

9 Planta de metiléster

Manuel Camps Michelena Francisco Marcos Martín

ÍNDICE 1. Introducción 2.

Clasificación de las tecnologías para producción de biodiesel

3.

Obtención de aceite refinado 3.1. Obtención de aceite crudo 3.2. Refino del aceite crudo

4. Transesterificacion 4.1. Transesterificación con catalizador 4.1.1. Catalizadores inorgánicos o no biológicos 4.1.2. Catalizadores biológicos 4.2. Transesterifisación sin catalizador 5.

Separación de la glicerina

6.

Purificación y destilación de la glicerina

7. Cálculos 7.1. Depósitos de aceite 7.2. Depósitos de metanol 7.3. Depósitos de producto 7.4. Depósitos de mezclado de metanol y catalizador 7.5. Reactor 7.6. Separador centrífugo 8.

Transporte

1. Introducción En este capítulo se va a estudiar la planta de metilésteres. Este tipo de industrias, como cualquier otra planta industrial, necesita observar una serie de principios comunes, que se pueden resumir en los siguientes: — Situar la planta cerca del municipio, teniendo en cuenta el precio del suelo, y una buena comunicación, si es posible con accesos por más de una vía. — Estar bien abastecida de agua y de electricidad, y disponer de facilidades para el desagüe. — Disponer de espacio suficiente para maniobras de camiones en el momento actual y como previsión de futuras ampliaciones. — Deberá cumplir las leyes sobre distancias mínimas a viales. — Sería conveniente disponer de vallas y de un control en la puerta de entrada. — Disponer de una báscula especial para camiones, que añade la ventaja de conocer la cantidad de materia que entra y sale. — Instalación de depuración de aguas. — Dos edificios anejos: uno para oficinas y otro, un laboratorio para control de calidad. — Dependiendo de la latitud del lugar, una marquesina para el aparcamiento.

2. Clasificación de las tecnologías para la producción de biodiésel La clasificación de las tecnologías que producen biodiésel es compleja y puede hacerse atendiendo a diferentes criterios. Distinguiremos, en principio, dos tecnologías: 1. Las tecnologías «clásicas». En ellas normalmente se añade metanol en exceso, para favorecer la transesterificación; este exceso es posteriormente recirculado. Para favorecer la transesterificación se añade un catalizador (ácido, básico, enzimas) en unas determinadas condiciones de presión y temperatura. Puede ser en régimen continuo o tipo batch. 2. La cavitación. En este caso, se realiza la transesterificación sin añadir metanol en exceso.

302

Los biocombustibles

A continuación se presenta una tabla de tecnologías clásicas, basada en otra presentada por Briceño, en la que se recogen las principales tecnologías y empresas que producen biodiésel en Europa y que no emplean la cavitación. En las tecnologías recogidas, se señalan la presión y temperatura a la que se realiza la transesterificación, el tipo de catalizador empleado y si la operación es en continuo o tipo batch. Por tanto, hay que reseñar que no aparece, en esta tabla, la tecnología de cavitación, que comercializan algunas empresas europeas como la española Biodiesel España. Todas las tecnologías que aparecen en la tabla siguiente son de transesterificación «clásica» con catalizador ácido, básico, orgánico o inorgánico. La tecnología de Westfalia no ha facilitado la presión y temperatura a la que realiza la transesterificación, pero se sabe que es a presión baja y a temperatura también baja. Igualmente, la empresa Ekoil Biodiesel, que trabaja con catalizar básico (puede ser KOH o NaOH) afirma que la presión de trabajo es reducida, sin indicar su valor. Hay que reseñar que aparece una empresa que no emplea como catalizador una sustancia básica ni ácida sino que utiliza óxido de titanio soportado; es la empresa Total Fina. Por último, también hay que indicar que se presenta una empresa que utiliza un catalizador orgánico: la empresa Novamont/TEchnimont, que trabaja a 1 atm y presión superior a la ambiental. Tabla 1. Empresas que realizan la transesterificación «clásica» Condiciones de reacción

Empresa

P (atm)

T (ºC)

Catalizador

Operación

Lurgi

1

Desmet (Desmet Ballestra)

50

60-70

Básico

Continuo

200

Metilato sódico

Energía

Continuo

1

60

KOH

Continuo

BDI

1

30-60

Básico

Batch

Conneman/Field and Hahn

1

60-70

NaOH

Continuo

Baja

Baja

Básico

Continuo

1,5

90

NaOH

Bath

Comprimo/Vogel and Noot

1

Ambiente

KOH

Bath

Biox

1

Ambiente

Básico

Continuo

1. Con catalizador ácido o básico

Westfalia Biofuels S.A.

Gratech Ekoil Biodiesel Production

3,5

95

Reducida

—

KOH

Continuo

—

—

Básico

Continuo

Baja

Baja

Básico

Continuo

1

50-130

Básico/Ácido

Batch

40

220

TiO2 soportado

Batch

1

> Ambiente

Orgánico

Bath

Crown Iron Works Westfalia

Continuo

2. Con catalizador ácido o básico IFM axens 3. Con catalizador diferente Total Fina Continuo 2. Con catalizador orgánico Novamont/Technimont Fuente: Briceño Y. y elaboración propia.

Planta de metiléster

303

Otras empresas que también trabajan en el mercado de la obtención de biodiésel son las siguientes: 1. Con transesterificación «clásica», es decir, empleando un catalizador ácido, básico u orgánico, están también las empresas. — AT Agraria — Biodiesel España — Bioking Biodiesel. Comercializa módulos. — Biofuel Systems — Biodiesel Technologies — BM Ingeniería — Nopec Corporation — ME KFT. — Oceanair Environment — Pacific Biodiesel — Procter & Gamble. — Superior Process Technologies. 2. Con transesterificación por cavitación. — Biodiesel España. La cavitación realiza la transesterificación de forma estequiométrica y presenta algunos inconvenientes, como son: 1. Los ruidos son altos y hay que colocar un sistema aislante acústico, lo que encarece el proceso. En la oferta presentada no se hacía referencia a este aislante acústico, ni a su coste. 2. El consumo energético, en el proceso de cavitación, es previsiblemente alto. 3. Hay que separar el metanol de la glicerina, una vez realizada la transesterificación, lo cual supone un coste, al que no se refiere en la oferta. 4. No se tiene constancia de la duración del tanque donde se realiza la cavitación. Este sistema presenta también ciertas ventajas, entre las que cabe destacar las siguientes: 1. La no recirculación del metanol añadido en exceso, pues supone que hace la reacción estequiométrica. 2. La ocupación de espacio, que es menor que el de una planta convencional. Cada módulo de 1000 litros/hora ocupa un espacio de 4 m2. La descripción del módulo de cavitación es la siguiente: Módulo automático Biodiésel España ST para la producción de biodiésel (1000 litros/hora), que incluye: — Reactor de cavitación, basado en el impulso magnético. — Sistema electrónico de dosificación volumétrica con unidad de pre-mezclado. — Sistema de control de los productos iniciales y de la reacción en el reactor. — Sistema electrónico para el control de llenado, separación y descarga de los productos finales. — PC y software con interfaz, sensores, tubos, armario eléctrico, bombas auxiliares, válvulas.

304

Los biocombustibles

3. Obtención de aceite refinado En el flujo del proceso de obtención del biodiésel se diseñan tres líneas distintas, bien diferenciadas: la del aceite, la del metanol (alcohol) y la del producto resultante. — La línea de aceite empieza por un depósito que mantiene el aceite a temperatura ambiente; unas tuberías que lo sitúan en un cambiador de calor, donde se calienta con agua hasta unos 90 ºC, temperatura necesaria para la reacción; otra serie de tuberías que llevan el aceite hasta el reactor. — La línea de metanol consta del depósito inicial, unas tuberías que lo llevan a un dosificador, donde se mide un exceso de un 20 a un 60% sobre la cantidad estequiométrica, y unas bombas y conductos que lo llevan al reactor en las cantidades justas. Es normal que el depósito de metanol reciba el catalizador, que es una base, normalmente sosa o potasa. — La línea del producto empieza en el reactor y se dirige por unas tuberías hasta el evaporador, donde se elimina el exceso de alcohol a base de calor proporcionado por vapor de agua a unos 140 ºC; sigue un cambiador de calor, para enfriarlo a temperatura ambiente, con objeto de conseguir una mejor separación de las fases; ésta se suele realizar en centrífugas a velocidades angulares de varios miles de vueltas por minuto. El éster metílico se manda al almacén y la glicerina a los correspondientes depósitos, donde esperará también a ser comercializada, si ello es posible. Existe, además, como es natural, todo tipo de filtros, bombas y válvulas propias de cualquier industria de este tipo. La línea de flujo básica para la obtención de metiléster o etiléster a partir de semillas oleaginosas puede ser de dos tipos: 1. Cuando se añade alcohol (metanol o etanol) en exceso, en presencia de un catalizador alcalino o ácido, que suele ser lo más habitual. Esta es la línea de flujo que se presenta en la figura siguiente. 2. Cuando se añade alcohol en la relación estequiométrica. En este caso no hay que recircular el metanol. La línea de flujo es muy similar a la anterior, pero sin la recuperación del alcohol. Las etapas de una planta de obtención de metiléster dependen de las tecnologías y del investigador que las clasifica, pero generalmente suelen considerarse las siguientes cinco etapas (si en la planta al final se obtiene glicerina con «grado farmacéutico»): Etapa 1. Obtención de aceite crudo o sin refinar, a partir de semilla oleaginosa. Etapa 2. Obtención de aceite refinado a partir de aceite crudo. En la etapa 2 el aceite crudo es refinado. Las etapas 1 y 2 reciben, en algunos casos, los nombres de pretratamiento y refino; en algunos casos, el nombre de pretratamiento hace referencia únicamente a la etapa 1. Etapa 3. Transesterificación. Esta es la etapa en la que se produce el metiléster, que usualmente se denomina incorrectamente biodiésel. Puede hacerse con varias tecnologías, en algunas de ellas (la mayoría) ha de añadirse alcohol en exceso. Etapa 4. Separación de la glicerina. Etapa 5. Purificación de la glicerina hasta la obtención de glicerina grado farmacéutico y grado técnico.

Planta de metiléster

SEMILLA DE COLZA, GIRASOL, SOJA, RICINO, PALMA, JATROFA, CACAHUETE,..…

PRETRATAMIENTOS: PRENSADO, MOLTURADO,…

Etapa 1

ACEITE SIN REFINAR

Etapa 2

ACEITE REFINADO

Alcohol

Catalizador

FILTRADO

TRANSESTERIFICACIÓN

Alcohol

Etapa 3

ÉSTER Etapa 4 Glicerina sin purificar

Sales Otros Etapa 5

Glicerina purificada

Figura 9.1. Proceso clásico de transesterificación, añadiendo alcohol en exceso.

305

306

Los biocombustibles

A continuación, vamos a comentar en qué consisten cada una de estas etapas por separado y algunos de los aspectos tecnológicos más importantes de las mismas. 3.1. Obtención de aceite crudo Esta etapa inicial, la primera de todo el proceso, consiste en obtener aceite crudo a partir de las semillas oleaginosas de colza, girasol, soja, palma, jatrofa, cacahuete, arroz, cardo, ... Algunas plantas de biodiésel no la realizan, pues compran el aceite crudo procedente de extractoras de aceite o compran aceite refinado. Esta etapa recibe, a veces, el nombre de pretratamiento o de pretratamiento 1. En la tabla siguiente, se presentan las principales características físicas y químicas, ya citadas, de algunos aceites utilizados para producir biodiésel. TABLA 2 Comparación de las principales características energéticas de algunos aceites vegetales Propiedad

Unidad

Densidad a 20 ºC . . . . . . . . . . . . . .

g/l

Temperatura de ignición

Aceite de Colza

Girasol

Soja

0,918

0,925

0,919

........

ºC

142

180

157

Viscosidad a 20 ºC

............

cst

71,5

63,5

60,4

Viscosidad a 100 ºC

...........

Variable

Variable

Variable

ºC

Variable

Variable

Variable

Poder Calorífico Inferior, PCI . . . . .

kJ/kg

36620

36582

36795

% de coque . . . . . . . . . . . . . . . . . .

%

Variable

Variable

Variable

% de cenizas, en peso . . . . . . . . . .

%

0,069

————

0,027

% de hidrógeno, en peso . . . . . . . .

%

12,2

11,4

11,3

% de azufre, en peso . . . . . . . . . . .

%

0

0

0

% de oxígeno, en peso

%

9,6

10,6

10,4

2076

2011

1996

Temperatura de fluidez

Oxígeno mínimo

.........

.........

..............

En el mercado de obtención del aceite y del biodiésel, hay varias tecnologías, todas ellas contrastadas, para obtener aceite crudo a partir de semillas oleaginosas. Estas tecnologías dependen del tipo de semilla que se va a utilizar para obtener el aceite. Para las semillas de colza y girasol, las tecnologías son similares, no habiendo grandes variaciones entre ellas. La composición en ácidos grasos de los distintos aceites es muy variable y depende del aceite que se considere. Una composición media es la que se presenta en la tabla siguiente, donde se recogen datos de Jameison, Morris y del CIDAUT (de Valladolid). Las semillas de colza o girasol se suelen transportar por ferrocarril o barco (de la forma que resulte más económica) y, finalmente, si es necesario, por camión hasta la planta, donde son almacenadas para su molienda, trituración y obtención de aceite crudo. El balance típico de materias y energías para la obtención de aceite crudo (extracción) a partir de semilla de girasol, usando hexano y vapor de agua, se muestra en la tabla siguiente, debida al CIEMAT (2006):

Planta de metiléster

307

TABLA 3 Ácidos grasos saturados y sus principales características Ácido Unidad Butírico . . . . . . . . . Caproico . . . . . . . . Caprílico . . . . . . . . Capricho . . . . . . . . Laúrico . . . . . . . . . Mirístico . . . . . . . . Palmítico . . . . . . . . Esteárico . . . . . . . . Aráquico . . . . . . . . Behénic . . . . . . . . . Lignocérico . . . . . .

Número de átomos de C

Fórmula química

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

C3H7COOH C5H11COOH C7H15COOH C9H19COOH C11H23COOH C13H27COOH C15H31COOH C17H35COOH C19H39COOH C21H43COOH C23H47COOH

Punto de ebullición a 16 mm ºC 163 (a 760 mm) 107 135 159 182 202 222 240 — — —

Punto de fusión ºC –8 –3,4 16,7 31,6 44,2 54,4 62,9 69,6 –75,4 –80.0 –84,2

TABLA 4 Composición media en ácidos grasos y otras variables de los aceites vegetales Ácido %

Jameison

Morris

Mirístico . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

—

—

CIDAUT —

Palmítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esteárico . . . . . . . . . . . . . . . . . . Araquídico . . . . . . . . . . . . . . . . . Oleico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Linoleico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Linolénico . . . . . . . . . . . . . . . . . . Índice de yodo . . . . . . . . . . . . . . Índice de saponificación . . . . . . .

3,5 3 0,6 33 57 — 130 188

5 2 1 35 57 — 128 191

6,38 4,09 0,3 23,68 63,79 0,36 131 —

Camps y Marcos, 2002.

TABLA 5 Entradas de materia y energía en una planta de obtención de aceite crudo a partir de semilla de girasol Entradas — Semilla de girasol — Agua — Hexano — Gas natural — Energía eléctrica Salidas — Aceite crudo de girasol — Harina — Residuos CIEMAT. 2006.

kg kg kg MJ kWh kg kg kg

2,386 1,5036 0,000050119 2,639 0,1403 1 1,284 0,0388955

308

Los biocombustibles

De forma gráfica, los datos de la tabla anterior, se presentan en la figura siguiente:

RECEPCIÓN Y PREPARACIÓN DE LA SEMILLA

Semilla 2,386 kg

Gas natural 2,639 MJ

Cáscara

Emisiones

Harina 1,284 kg

Aceite filtrado

Torta Residuos 0,038895 kg

Agua 1,5036 kg Electricidad 0,1403 kWh EXTRACCIÓN Hexano 5,0119 10 3 kg Aceite crudo 1kg

Figura 2. Esquema de una planta extractora de aceite de girasol. Fuente: CIEMAT, 2006.

El balance típico de materias y energías para la obtención de aceite crudo a partir de semilla de colza, usando hexano y vapor de agua, se muestra en la tabla siguiente, debida al CIEMAT (2006): TABLA 6 Entradas de materia y energía en una planta de obtención de aceite crudo a partir de semilla de colza Entradas — Semilla de colza . . . . . . . . .

kg

— Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . .

kg

1

— Hexano . . . . . . . . . . . . . . . .

kg

1,32

— Vapor de agua . . . . . . . . . . .

kg

— Energía eléctrica . . . . . . . . .

kWh

2,56

0,79 0,1403

Salidas — Aceite crudo de colza . . . . .

kg

1

— Harina . . . . . . . . . . . . . . . . .

kg

1,284

— Residuos . . . . . . . . . . . . . . .

kg

0,0388955

CIEMAT, 2006.

Planta de metiléster

309

En esta etapa, algunos tecnólogos realizan la operación de desgomado, que es muy importante si posteriormente se va a obtener biodiésel. Si tiene gomas, éstas pueden provocar obturaciones en los inyectores. 3.2. Refino del aceite crudo En esta segunda etapa, que no todas las plantas realizan (ya que algunas plantas de biodiésel compran aceite ya refinado) se produce la transformación del aceite crudo en aceite refinado. Es llamada por algunos tecnólogos refino y por otros refinado o pretratamiento 2. En el mercado europeo y americano hay varias tecnologías, todas ellas contrastadas, que realizan el refino. Actualmente, el aceite crudo se transporta en camión, barco o ferrocarril, pero se está estudiando el transporte de aceite crudo, aceite refinado y biodiésel por oleoductos; tiene problemas técnicos que con el tiempo se espera ir solventando, pues no son graves. Los motivos fundamentales del refino del aceite, para hacer posteriormente biodiésel, son la eliminación de ciertas sustancias, como: 1. Ácidos grasos libres (AGL), para facilitar la transesterificación y posteriormente la purificación de la glicerina. 2. Gomas, que podrían resultar en formación de emulsiones durante el proceso. Las gomas dan problemas en los inyectores si pasan al biodiésel. 3. Fosfátidos (para que los efluentes del proceso no tengan fosfatos y se reduzcan sus costos de tratamiento). 4. Ceras (para mejorar el uso en frío del biodiésel). Por ello, los principales procesos para el refino de aceite vegetal crudo, con el que se desea fabricar metiléster, son la neutralización, el desgomado, el blanqueo, el descerado y el lavado. 1. Neutralización Con la neutralización se eliminan los ácidos grasos libres, utilizando generalmente una base fuerte (suele emplearse sosa caústica). Así, se forman las llamadas pastas jabonosas que son solubles en agua. Las pastas jabonosas se separan por densidad y se lavan a fondo. Esta operación es importante en los aceites con alta acidez, como el aceite de palma. Normalmente, la neutralización consiste en hacer reaccionar el aceite con una sustancia alcalina como el hidróxido de sodio para eliminar los ácidos grasos libres, responsables de su acidez. El aceite se calienta a 85 °C (en caso de aceites muy ácidos, se hace a 65 °C) y se aplica hidróxido de sodio diluido en una cantidad tal que neutralice los ácidos en el aceite, y con un exceso que favorezca la separación de los jabones y evite la formación de emulsiones. Este exceso puede variar entre 10 y 30% para aceites de baja acidez (hasta 1%) y entre 30 y 50% para aceites de alta acidez. Cuando el álcali reacciona con los ácidos grasos libres, se forma jabón, según la reacción: R- COOH + NaOH R-COONa + H2O Ácido graso Álcali Jabón Agua

310

Los biocombustibles

El jabón se separa después centrifugando la mezcla de grasa y jabón. Posteriormente, el aceite o grasa se lava con agua una o dos veces para eliminar las últimas trazas de jabón y se centrifuga nuevamente. Finalmente, el material refinado se seca en un secador de vacío para eliminar el agua residual. Aunque la finalidad del tratamiento con álcalis es la eliminación de los ácidos grasos libres, este proceso puede dar lugar también a una reducción significativa del contenido de fosfolípidos y de la materia coloreada (Fennema, 1993). Existen asimismo procesos de neutralización en frío, con los que los aceites que contienen ceras (como el de girasol) pueden ser, al mismo tiempo, neutralizados y winterizados. Este proceso previene la formación de sólidos en el biodiésel a bajas temperaturas (Westfalia Separator Food Tec, 2006). En lugar de la neutralización, a veces, en el refino, se realiza una esterificación ácida. Es otra manera de eliminar los ácidos grasos libres en el aceite y además permite, a diferencia de la neutralización, reaprovecharlos para producir biodiésel también a partir de ellos (Meher, 2006). La reacción es: Catalizador ácido Ácido graso + Metanol metiléster + H2O + otros Al aceite caliente se agrega metanol en cantidad adecuada para reaccionar con los ácidos grasos libres (AGL), utilizando ácido sulfúrico como catalizador. Después de la reacción, se separa el agua. Esta separación puede hacerse por decantación o por centrifugación. Lo que queda es una mezcla de aceite (triglicéridos) y metiléster con menos de 1 % de ácidos grasos libres. Con esta mezcla ya se puede realizar una transesterificación alcalina. Una de las dificultades de este proceso es la presencia de agua. La acumulación de agua que se va produciendo durante la esterificación puede llegar a detener la reacción antes de que sea completa. Para resolver este problema es necesario trabajar en dos o más etapas, para ir separando el agua antes de continuar la esterificación (Van Gerpen, 2005). Otra desventaja es la gran cantidad de metanol necesaria: mientras que, con la catálisis alcalina, se requiere una cantidad de 6 moles de alcohol por cada mol de triglicérido (razón molar de 6:1), algunos autores han encontrado que con la catálisis ácida se necesita entre 30:1 y 50:1 (Zhang et al., 2003). Otro problema de este proceso es el uso de ácido sulfúrico: este ácido, muy corrosivo, para su almacenamiento requiere de tanques con materiales costosos como es el acero inoxidable de alta calidad, y además su utilización produce efluentes ácidos contaminantes (Wang et al., 2006). Es por esto por lo que la esterificación ácida se justifica sólo si las materias primas a utilizar tienen un contenido de AGL realmente alto. Por esto, Wang et al. (2006) propusieron el uso de sulfato férrico como catalizador para la esterificación ácida. En sus experimentos, encontraron que este catalizador es ventajoso porque es sólido (catalizador heterogéneo), de manera que es fácilmente separable de los productos, es reutilizable y no contamina los efluentes (por la misma razón). También es más eficiente que el ácido sulfúrico: Con una cantidad de catalizador de 2% en peso, una razón molar de 10:1 de metanol a triglicéridos (mucho menor a la necesaria cuando se trabaja con ácido sulfúrico) y una temperatura de reacción de 95 °C, se alcanzó una conversión de 97% de los ácidos grasos libres de un aceite usado

Planta de metiléster

311

en biodiésel. Además, el sulfato férrico no requiere de equipamiento tan costoso porque es menos corrosivo. 2.

Desgomado

La neutralización se suele acompañar con un proceso que elimine las gomas. Esto es importante pues las gomas pueden producir problemas en los inyectores, cuando se emplea el biodiésel. Las gomas son sustancias orgánicas, tipo resinosas, con un alto peso molecular, estructuralmente muy complejas, siempre con carácter ácido. Son producidas por especies vegetales que suelen desarrollarse en zonas desérticas o en otras zonas. Normalmente no se encuentran preformadas en el vegetal, sino que se producen (se secretan del vegetal) como mecanismo de defensa al causar una lesión a la planta. Se cree que se producen a partir de la pared celular y del almidón. Las gomas mezcladas con agua tienen poder adherente, por lo que se utilizan mucho en farmacia y en otras industrias relacionadas con los adhesivos y pegamentos. También, en la fabricación de materiales compuestos tipo “sándwich”. La goma de mascar, el chicle, se obtenía antes de la resina de los árboles, concretamente de la fracción llamada colofonia (que resulta de quitar de la miera el aguarrás). Las gomas aparecen en los aceites que tienen gomas, como el de soja o el de semilla de algodón, o se forman en los procesos de eliminación de fósforo, en el refino de otros aceites. El desgomado con agua es la forma más simple de reducir la cantidad de fosfolípidos y fosfátidos en los aceites. El aceite se caliente aproximadamente a 90 °C, y se agregan pequeñas cantidades de agua para hidratar las gomas y hacerlas insolubles en el aceite. La cantidad de agua a usar debe ser similar al peso seco de las gomas a remover. Pasados unos 5 minutos, las gomas hidratadas pueden ser eliminadas por centrifugación. Las impurezas que se pueden quitar por este método son fosfátidos hidratables, triglicéridos ocluidos y otros compuestos solubles en agua, como azúcares. El proceso antes descrito sólo permite la remoción de las gomas hidratables. Por eso, a veces se utiliza ácido cítrico o ácido fosfórico para mejorar la velocidad y la eficacia del proceso y permitir la separación de las gomas no hidratables. El ácido puede estar disuelto en agua para facilitar la separación, y luego el aceite es lavado con agua (Dorsa, 2004; Lawson, 1994). Algunos fabricantes de vehículos europeos como los del grupo Volkswagen (Volkswagen, Audi, SEAT, Skoda) y, previsiblemente serán algunos más en el futuro, ponen en algunos de sus vehículos «no biodiésel» debido a la existencia de gomas en el mismo. Es un problema en los inyectores; si el biodiésel tiene residuos que formen gomas, acaban obturando el inyector o dando problemas. Por eso, las tecnologías utilizadas Bulgaria deben garantizar por escrito que el metiléster fabricado no formará gomas en la inyección y está de acuerdo con la normativa europea EN (DIN) 14214. Y ésto, parece ser que lo garantizan ciertos tecnólogos (Lurgi, Westfalia, Desmet Ballestra, …). El problema de las gomas no es un problema grave si la mezcla es pobre en metiléster (un B5 o un B10); pero hace que el inyector dure menos (es cuestión de cambiar más a menudo los inyectores, que puede ser un problema). Sin embargo, puede ser la disculpa que las petroleras utilicen para ponerle pegas al biodiésel.

312

3.

Los biocombustibles

Blanqueo y descerado

Con el blanqueo y descerado se eliminan o reducen los pigmentos mediante la adición de un adsorbente, como son las tierras de blanqueo (bentonita cálcica, por ejemplo). Si han quedados ácidos y gomas, así como jabones y otras impurezas (entre las posibles ceras), éstos son adsorbidos. Suele hacerse en un tanque hermético que se ha sometido a vacío. 4. Lavado A veces, en el refino del aceite, se precisa también un lavado para eliminar residuos de la neutralización. A continuación, y siguiendo datos medios del Centro de Investigaciones Energéticas Medio Ambientales y Tecnológicas (CIEMAT), se presentan los consumos de las diferentes materias primas necesarias en el proceso de refino de aceite, en este caso de girasol, soja y colza. Se han incluido las materias primas necesarias para el tratamiento de las aguas residuales producidas durante el proceso. Los datos sobre la producción de las distintas materias primas, el consumo de materias primas, así como las emisiones y residuos, referidos a 1 kg de aceite refinado son: TABLA 7 Balance de materia en la obtención de aceite refinado Materia Aceite crudo

kg/kg de aceite refinado de girasol, colza 1,019

Ácido fosfórico

0,002887

Sosa cáustica

0,00527

Agua Ácido cítrico

0,3099 0,00092

Tierra de blanqueo

0,01223

Sulfato de alúmina

7,16 · 10–5

Polielectrolito comercial Nitrato amónico comercial

1,256 · 10–6 0,00075

Sin embargo, si la acidez del aceite es muy alta, la neutralización no es conveniente porque implica la pérdida de los ácidos grasos libres en forma de jabones. Entonces, el proceso de refinación que debe seguirse es el que realiza desgomado, esterificación ácida, descerado y secado. Finalmente, para mejorar las propiedades de flujo en frío del biodiésel, se puede requerir un proceso de fraccionamiento o winterización, con el fin de separar las fracciones con mayores puntos de fusión del aceite. Esta etapa de refino, en plantas de más de 25.000 toneladas/año (aproximadamente) no es tan sencilla como puede parecer, ya que hay que recircular todo el metanol en exceso de la transesterificación; en caso contrario, el biodiésel obtenido no cumple con la norma NE 14214. Como ejemplo, se presenta el refino alcohólico que realiza la casa Westfalia; a la vez que refina, realiza el desgomado y la neutralización. En este refino alcohólico, el

Planta de metiléster

Glicerina/alcohol/mezcla álcalis de la transesterificación

313

Glicerina/metanol/jabón/ gomas

Metanol + álcalis Ácido Metanol

Aceite neturalizado y desgomado para la transesterificación Vapor Lodo Aceite crudo

Condensado

Separador tipo Westfalia Figura 3. Refino alcohólico, utilizando los excedentes del proceso de transesterificación.

aceite crudo es calentado con vapor; posteriormente, se añade ácido y metanol. La mezcla de aceite crudo con ácido y metanol es mezclada, posteriormente con metanol y álcalis y con una mezcla que contiene glicerina, alcohol y álcalis (catalizador) que procede de la transesterificación. Los materiales mezclados son introducidos en un separador Westfalia que consigue separar, por un lado, la fase sólida en forma de lodos y, por otros dos lados, dos fases líquidas. La primera fase líquida que sale del separador Westfalia contiene el aceite refinado que ha sido desgomado y neutralizado listo ya para ser transesterificado. La segunda fase líquida que sale del separador contiene una mezcla de glicerina, metanol, jabón y gomas.

4. Transesterificación El aceite es un éster viscoso y hay que hacerlo reaccionar con alcohol para obtener, por un lado, los ésteres de los ácidos grasos correspondientes, menos viscosos que el

314

Los biocombustibles

aceite y, por otro, glicerina. Si el alcohol empleado es metanol, se obtiene el metiléster, pero si usamos etanol o cualquier otro, tendremos otro éster distinto. Es la etapa que define y diferencia fundamentalmente a las plantas de biodiésel, dependiendo del catalizador y la tecnología empleados. La reacción es la siguiente: CH2 – OOCR  CH – OOCR + 3 CH3OH  CH2 – OOCR ACEITE + METANOL

→

CH2 – OH  3 CH3OOCR + CH – OH  CH2 – OH

→ METILESTER + GLICERINA

Que se desglosa en tres etapas: Triglicérido + Alcohol

→

Éster + Diglicérido

Diglicérido + Alcohol

→

Éster + Monoglicérido

Monoglicérido + Alcohol

→

Éster + Glicerina

En total, la reacción es de la forma señalada: Triglicérido + 3 Alcohol →

3 Ester + Glicerina

La reacción de transesterificación se realiza entre los triglicéridos que componen el aceite y exceso de alcohol (metanol, etanol, …) en presencia de un catalizador (ácido, básico, resinas, enzimático, …) a una temperatura variable (entre los 40 ºC y los 200 ºC) y una presión también variable (entre la atmosférica y los 25 bar), dependiendo de la tecnología y el catalizador empleados. Sin embargo, hay que tener presente que los triglicéridos y diglicéridos también pueden reaccionar con el catalizador (si es básico) proporcionando otros productos que no son glicerina ni ésteres, como son jabones: Triglicérido o diglicérido + Catalizador básico →

Jabón + Glicerina

Además, los ácidos grasos libres contenidos en el aceite también reaccionan con el catalizador básico: Ácido graso libre + Catalizador básico →

Jabón + Agua

4.1. Transesterificación con catalizador Un esquema general del proceso de transesterificación con catalizador obtenido a partir de la experiencia propia y de las ofertas presentadas, es el siguiente:

Planta de metiléster

Aceite vegetal crudo

315

Aceite usado

Aceite refinado

TRANSESTERIFICACIÓN Agua

Reactivos

Catalizador

Energía eléctrica, gas natural

Metiléster bruto Mono, di, triglicéridos Ácidos grasos libres Alcohol

Glicerina Catalizador Agua Otros

LAVADO DEL METILÉSTER

Metiléster lavado

Alcohol Ácidos grasos libres Mono, di y triglicéridos

SECADO DEL METILÉSTER

Biodiésel

Figura 4. Esquema del proceso de la transesterificación con catalizador, señalando los productos empleados y obtenidos.

El proceso, como se ha señalado, no es sencillo pues, aparte de recircular el alcohol en exceso, hay que lavar y limpiar bien las aguas con sales, metanol, glicerina y ésteres, como se observa, con más detalle, en la figura siguiente. Los catalizadores utilizados en la obtención de metilésteres (si se usa metanol) o etilésteres (si se usa etanol) a partir de aceites refinados o grasas vegetales, animales o residuales (todos ellos refinados) pueden ser de varios tipos, como se recoge en la tabla siguiente.

316

Los biocombustibles TABLA 8 Transesterificación con catalizador. Clasificación por el tipo de catalizador

1.Homogéneo 1. Inorgánico o no biológico

KOH NaOH

Àcido 2. Heterogéneo

2. Biológico

Básico o alcalino

Másico Soportado

Enzimas

Describiremos, a continuación, estas tecnologías de transesterificación con catalizador, que son las más empleadas en la actualidad. Otro tipo de tecnologías sin catalizador son las llamadas supercríticas. 4.1.1. Catalizadores inorgánicos o no biológicos Como se ha señalado en la tabla anterior, los catalizadores inorgánicos pueden ser homogéneos o heterogéneos. A su vez, hay dos tipos de catalizadores homogéneos: los catalizadores básicos o alcalinos (que son los habitualmente empleados) y los catalizadores ácidos. — Catalizadores básicos o alcalinos. Fundamentalmente, los catalizadores básicos que se utilizan son hidróxido potásico (KOH) e hidróxido sódico (NaOH). La transesterificación alcalina es el método más simple y es el generalmente utilizado para fabricar biodiésel, tanto en la Unión Europea como en el resto de Europa, América y Asia. Sin embargo, esta tecnología requiere de un aceite con bajo contenido de ácidos grasos libres, agua y otras impurezas, o de procesos adicionales de pretratamiento de la semilla o de la materia prima para asegurar esta calidad. También requiere de tratamientos posteriores del biodiésel (llamados postratamientos) para reducir su contenido de impurezas como son restos de catalizador, restos de alcohol y otros. Además, la glicerina obtenida ha de ser purificada parcial o totalmente (dependiendo de la tecnología de transesterificación y del grado de pureza en glicerol que se desee obtener). Es por esto por lo que otros procesos han sido desarrollados para aceites menos puros, para mejorar el rendimiento de la transesterificación, o para intentar acelerarla, pero sin embargo su uso aún no está generalizado. En el caso particular de catalizador homogéneo básico, que es el más utilizado, las materias primas empleadas son aceite refinado, un alcohol que suele ser metanol o etanol, metóxido de sodio, agua de proceso, sosa cáustica, vitamina E (como antioxidante) y anticongelante. En la reacción de transesterificación con catalizador alcalino, se producen algunas reacciones secundarias entre el triglicérido y el catalizador que dan lugar a productos indeseables que contaminan los ésteres. Se producen jabones a través de la reacción de saponificación de los triglicéridos, reacción que compite con la transesterificación, y que ya apuntamos con anterioridad:

317

Planta de metiléster

Metanol Agua a proceso

Catalizador Aceite refinado

Reacción

R e c i r c u l a c i ó n Esterificación

Lavado

Evaporación

Agua de lavado

Multiléster

Decantación

Glicerina bruta

Neutralización

Fase grasa Decantación Glicerina neutralizada

Separación

Glicerina

Sales

Figura 5. Diagrama del proceso de transesterificación con metanol y catalizador alcalino.

Triglicérido + Catalizador básico

→ Jabón + Glicerina

Además, como se ha señalado, los ácidos grasos libres, contenidos en el aceite, también reaccionan con el catalizador básico: Ácido graso libre + Catalizador básico

→ Jabón + Agua

En la figura siguiente se aprecia el proceso descrito y se señala la necesidad de lavar y secar el metiléster antes de obtener el biodiésel, que es metiléster secado y lavado. La transesterificación alcalina con etanol se está experimentando en Europa, América y Asia. Las dos ventajas de este proceso son: la posible procedencia renovable del alcohol, ya que el bioetanol se obtiene actualmente de la caña de azúcar, el trigo, la cebada, el maíz, la remolacha, y, en un futuro previsible, de la madera y de la paja de cereales, y la menor toxicidad del etanol. Sin embargo, la producción de ésteres etílicos es difícil en comparación con la de ésteres metílicos, debido principalmente a la fácil formación de emulsiones estables que dificultan severamente la separación del biodiésel y el glicerol y la purificación del biodiésel (Zhou et al., 2003). Se requiere mucho mayor cuidado con la pureza de los insumos así como con los parámetros de reacción —tiempo, temperatura, agitación—

318

Los biocombustibles

Aceite refinado Metanol Catalizador alcalino

TRANSESTERIFICACIÓN ALCALINA

Metiléster bruto Mono, di, triglicéridos Ácidos grasos libres Metanol

Glicerina Catalizador Jabón Agua Metanol

LAVADO DEL METILÉSTER PURIFICACIÓN DEL AGUA GLICERINOSA

Metiléster lavado

Metanol Ácidos grasos Monoglicéridos Diglicéridos Triglicéridos

Jabón Agua Metanol

SECADO DEL METILÉSTER

Glicerina

DESTILACIÓN DE LA GLICERINA

Biodiésel Glicerina destilada

Figura 6. Transesterificación alcalina con metanol.

para asegurar el éxito. En Brasil, se está experimentando con un método que usa dos catalizadores para permitir la transesterificación con etanol, con un tiempo de reacción de sólo 30 minutos (Ribeiro, 2004). La transesterificación con catalizador alcalino, tal como hidróxido de sodio o de potasio, ofrece la ventaja de trabajar en condiciones suaves y temperaturas bajas (aproximadamente la temperatura de ebullición del alcohol); sin embargo, como los ácidos grasos libres contenidos en el aceite inicial no son esterificados en este proceso, deben ser extraídos antes de la transesterificación, esterificar en una etapa de reacción adicional o bien separar la fracción no esterificable con la fase glicerina. — Catalizadores homogéneos ácidos. Los catalizadores ácidos presentan la ventaja de que pueden catalizar tanto la transesterificación como la esterificación posterior de los ácidos grasos libres. Sin embargo, cuando se emplean catalizadores ácidos (casi siempre homogéneos) las condiciones de reacción son más exigentes en cuanto a los reactantes. Son ácidos diversos, cada tecnólogo propone uno. Se están investigando nuevos ácidos; el más empleado es el ácido sulfúrico.

Planta de metiléster

319

— Catalizadores heterogéneos. Como los catalizadores homogéneos presentan algunos inconvenientes, ya citados, se está investigando su uso: utilizan diferentes reactivos y requieren unas condiciones de presión y temperatura más altas y una relación alcohol/aceite más elevada. Los que se están investigando son de varios tipos: resinas de intercambio iónico (aniónico o catiónico), catalizadores de titanio o de circonio, óxidos metálicos. TABLA 9 Comparación entre catalizadores homogéneos y heterogéneos Catalizadores homogéneos Ventajas

Catalizadores heterogéneos

Inconvenientes

Menores condiciones Peor glicerina de presión y T

Ventajas

Etapas de purificación y separación simples Rendimiento superior

Relación alcohol/aceite más baja

Rendimiento inferior

Inconvenientes

Calidad de la glicerina

No produce otras fases

Relación alcohol/aceite más alta

Menor consumo de productos químicos

4.1.2. Catalizadores biológicos Debido a las dificultades y los precios que presenta el empleo de catalizadores alcalinos y ácidos, se está investigando también el empleo de diversas enzimas, como lipasas. Aún estas investigaciones no han aportado costes menores en el proceso, pero en un futuro tal vez puedan aportarlos. 4.2. Transesterificación sin catalizador La presencia de agua y ácidos grasos libres afecta la eficiencia de la transesterificación con catalizador, sea alcalino, ácido o enzimático. Además, el uso de catalizadores dificulta la purificación del biodiésel y de la glicerina. Para paliar estos y otros problemas, se propone la transesterificación sin catalizador y en condiciones supercríticas. Algunas ventajas de esta tecnología son las siguientes: 1. No se requiere catalizador. 2. No es sensible a la presencia de agua o ácidos grasos libres. 3. Los ácidos grasos libres son esterificados al mismo tiempo que el resto del aceite. El proceso supercrítico implica el uso de determinadas condiciones de temperatura y presión que afectan las condiciones termofísicas del metanol, tales como su constante dieléctrica, viscosidad, peso específico y polaridad, todo lo cual facilita la reacción de transesterificación. Puede hacerse con cosolvente o sin cosolvente, según se señala en la tabla siguiente (de Cao et al., 2005).

320

Los biocombustibles TABLA 10 Condiciones para la transesterificación supercrítica con metanol Unidad

Proceso supercrítico

Proceso supercrítico con cosolvente

Temperatura

ºC

320

280

Presión Razón molar metanol:aceite Cosolvente

bar

400 42:1 Ninguno

128 24:1 Propano (es reutilizado)

Variable

De esta manera, bajo condiciones de alta temperatura y presión, se logra una conversión casi completa del aceite en biodiésel en muy poco tiempo (5-10 minutos), sin necesidad de catalizador. Algunos autores critican los altos costos operativos de este proceso, debido a los altos requerimientos de temperatura y presión (mayor consumo energético) y también altos costos de inversión para contar con equipamiento que resista estas condiciones de operación. Algunos autores, como Van Kasteren y Nisworo (2006), señalan que este proceso sí que podría ser competitivo, ya que permite aprovechar aceites comestibles usados de bajo costo, sin necesidad de pretratratamiento ácido (que también aumentaría los costos de operación e inversión) y, a pesar de los altos consumos energéticos, el tiempo de reacción es menor, lo cual compensa en cierta manera este aspecto. Además, el glicerol final resulta casi puro (96,4%), lo cual le da un mayor valor de mercado que en el proceso de transesterificación alcalina (pureza de sólo un 85%) y el biodiésel obtenido sólo requiere la destilación del metanol para tener una alta pureza (un 99,8%), lo que reduce los costos de inversión y operación necesarios para purificar el biodiésel en la transesterificación alcalina.

5. Separación de la glicerina Se obtiene como producto de la transesterificación una mezcla de dos fases que se debe separar. La de menor densidad es la fase éster y la más densa es la fase glicérica. La composición de cada una de estas fases es: 1. Fase glicérica: Glicerina: 5,5 % Metanol: 31,4 % Impurezas: 8,5 % Base: 4,6 % Su densidad es de 1,0379 kg/l. 2. Fase éster: Éster: 93,9 % Metanol: 6,0 % Aceite: 0,1 % Su densidad es de 0,87 kg/l. La glicerina que se obtiene en la transesterificación junto al metiléster y otros subproductos tiene, por tanto, una densidad superior al metiléster, por lo que puede separarse empleando únicamente procesos físicos o añadiendo ácido fosfórico para separar y acondicionar la glicerina.

Planta de metiléster

321

Si la glicerina es acondicionada con H3PO4, se obtienen fosfatos y ácidos grasos, como se observa en el diagrama siguiente: Para poder recuperar el exceso de metanol, se recurre a su evaporación, que se realiza con gran sencillez, dada su baja temperatura de ebullición. Para ello, debemos esperar a la separación previa de las dos fases. Después de esta evaporación, la composición de las dos fases es la siguiente:

Aceite destilado

TRANSESTERIFICACIÓN ALCALINA

Metiléster bruto Mono, di, triglicéridos Ácidos grasos libres Metanol

Glicerina Catalizador Jabón Agua Metanol

Metanol

H3 PO4

LAVADO DEL METILÉSTER

ACONDICIONAMIENTO DE LA MEZCLA DE GLICERINA Metiléster lavado

SECADO DEL METILÉSTER

Biodiésel

Metanol Otros Fosfatos Ácidos grasos

Glicerina

DESTILACIÓN DE LA GLICERINA

Glicerina destilada Figura 7. Diagrama de separación y acondicionamento de la glicerina, usando ácido fosfórico.

322

Los biocombustibles

Fase glicérica: Glicerina: 80,9% Impurezas: 12,4% KOH: 6,7% Su densidad ahora es de 1,037 kg/l Fase éster: Éster: 99% Aceite: 1% Su densidad es de 0,87 kg/l. Para la totalidad de una planta de características medias, se estima una capacidad de reserva equivalente a una semana de trabajo, lo que nos llevaría a tener que dimensionar los depósitos para las correspondientes capacidades: Así, en volumen, sobre un valor de 100 para el aceite, tendríamos, aproximadamente: Aceite: 100 l Metanol: 25 l KOH: 1l Biodiesel: 103 l Glicerina: 10 l En el caso de una planta de procesado grande, por razones obvias, no se construirá un solo depósito para cada producto, sino varios; así, en el caso del aceite, si la industria procesara un millón de litros, nos decidiríamos por poner dos depósitos, con lo que se podría proceder a la limpieza o la reparación de cualquiera de ellos. Las dimensiones serían, en este caso: — Diámetro: 15 m — Altura: 3,2 m — Volumen: 566 m3 En cuanto al biodiesel, se utilizarán del mismo tamaño y el mismo número, por el ahorro que supone en cálculo, por un lado, y en compra, por otro. Ya se explicó que debemos tener un especial cuidado con el metanol, pues es inflamable. Se podrían usar tres pequeños depósitos cilíndricos horizontales. En el caso de la base, sosa o potasa, se puede comprar en sacos de 50 kg, con la única precaución de que hay que abrirlos en el mismo momento de su utilización ya que se trata de un producto muy higroscópico, y que se carbonata muy deprisa en presencia de CO2. Se elige como material el acero inoxidable, para que resistan un pH básico. En general, cuando se afronta el proyecto de una instalación, la base de cálculos suele ser la correspondiente a una hora de trabajo. El estudio completo debería tener en cuenta otros cálculos que, por la índole de este trabajo, no vamos a realizar. No obstante, podemos apuntar que se trata de cálculos termotécnicos, referentes a: — Cantidad de vapor necesario para los procesos de evaporación. — Calentamiento del metanol y del aceite antes de entrar en el reactor. — Condensación del metanol.

Planta de metiléster

323

— Superficie de los cambiadores de calor. — Potencia de las bombas para vencer las pérdidas de carga. Este último cálculo, como la pérdida de carga es pequeña, y se suele expresar en metros de columna de agua, viniendo el gasto en kg/h, la fórmula a emplear es la siguiente: Potencia (W) =

Presión × gasto 324,9

La glicerina suele venir mezclada con pequeñas cantidades de catalizador, jabón, agua y alcoholes, de los que hay que separar. La separación por medios físicos de la glicerina del metiléster es una operación que puede hacerse con dos tecnologías: 1. Mediante el uso de centrifugadoras. En circunstancias normales, el metiléster mezclado con la glicerina se puede separar en simples tanques de sedimentación. Sin embargo, y sobre todo en plantas medianas y grandes, para ahorrar tiempo y espacio de almacenaje, se pueden emplear sistemas de centrifugado que separan la glicerina y otras posibles impurezas del metiléster. El método de centrifugado consiste en un sistema mecánico que mediante giro a una gran velocidad consigue hasta 40.000 G y separa, por la fuerza centrífuga, la glicerina. 2. Mediante el uso de tanques de sedimentación. La glicerina sedimenta debido a su mayor densidad, pero lo hace más despacio que usando centrifugadoras. Los costes de inversión y funcionamiento son menores, pero la productividad es menor y se precisan volúmenes mayores para el almacenaje de la mezca metiléster-glicerina. En los diagramas del fabricante Westfalia, que pueden consultarse en sus páginas web, aparecen todos estos procesos; en ellos, se señala como máquina centrifugadora la máquina de Westfalia. Esta glicerina, que recibe el nombre de glicerina técnica s/BS2621, contiene (en v/v) según la casa Bectel, aproximadamente: — Glicerol: 80-84%. — Agua: 8-12%. — Cenizas, sales: 2-6%. — FFA (free fatty acid): 1-4% (MONG). — Gomas: 0,82%. — FAME: 0,4%.

6.

Purificación y destilación de la glicerina

Mediante la separación de sales, catalizadores y ácidos grasos que quedan en la glicerina, se realiza una primera purificación de la misma con el fin de obtener una glicerina de mayor calidad. Esta calidad se mide usualmente por el contenido en glicerol. Usualmente, en el proceso de transesterificación se consideran impurezas en la glicerina el agua, las sales, los catalizadores y los ácidos grasos.

324

Los biocombustibles

La pureza de la glicerina cruda obtenida depende de múltiples factores, siendo los más importantes la materia prima utilizada, el método de transesterificación, la temperatura y presión en la transesterificación y el tipo de catalizador empleado; su valor en pureza está entre un 80-95% de glicerol. La llamada glicerina de grado muy alto farmacéutico tiene un 99,7% de pureza y su precio de mercado, como es lógico, es mucho mayor que el de la glicerina cruda. La glicerina de muy alto grado farmacéutico recibe también el nombre de glicerina técnica. No todas las plantas que fabrican biodiésel realizan la purificación y destilación de la glicerina. Algunas venden la glicerina cruda; sin embargo, otras plantas realizan una purificación parcial de la glicerina, en función de la tecnología disponible y de la situación del mercado de la glicerina.

7. Cálculos El proceso puede ser continuo o discontinuo pero, en cualquier caso, necesita, entre otros cálculos, el de los depósitos que se requieren para almacenar tanto el aceite y el metanol, como los productos de la reacción. En el caso de que sea discontinuo, los cálculos se deben realizar para un tiempo de reacción de una hora, que se considera suficiente si las condiciones de presión y temperatura son las adecuadas. 7.1. Depósitos de aceite Vamos a entrar en el cálculo de los depósitos de almacenamiento del aceite. Este aceite industrial no es el mismo que se usa para el consumo humano; para la industria, no se requiere el refinado ni la eliminación de los olores; importa, sin embargo, el desgomado, ya que su presencia puede producir problemas en el buen funcionamiento de los motores. Es preciso poner cuidado en el almacenamiento del aceite, pues la presencia de luz y oxígeno produciría una oxidación de los dobles enlaces que llevaría consigo la aparición de grupos ácidos y tendría como consecuencia un aumento de la cantidad de catalizador que deberíamos utilizar. El cálculo que se debe hacer es exclusivamente geométrico, y se suele emplear un recipiente cilíndrico. 7.2. Depósitos de metanol Debemos tener en cuenta la normativa acerca de la seguridad del almacenamiento del metanol, pues su temperatura de inflamación es de 12 ºC. 7.3. Depósitos de producto El biodiésel no tiene ningún problema en este sentido, pues su punto de inflamación está por encima de los 100 ºC. En ambos casos, se puede usar el mismo tipo de depósito cilíndrico.

Planta de metiléster

325

7.4. Depósitos de mezclado de metanol y catalizador Esta primera mezcla se debe realizar antes de su unión con el aceite; en caso contrario, el tiempo total de la reacción aumenta de forma desmesurada. El calor producido en la mezcla del metanol con el KOH es beneficioso y lo podemos aprovechar en el calentamiento de la mezcla que se introduce en el reactor, pues la temperatura de esta reacción no llega a los 40 ºC y la temperatura del reactor debe ser de 50 ºC. Se elige como material el acero inoxidable, para que resistan un pH básico. En cuanto a los cálculos, podemos tomar como base las cantidades correspondientes a 1 hora. 7.5. Reactor La reacción se considera completa cuando se ha llevado a cabo en un 98 %; para que la velocidad sea razonable, es necesario que la temperatura sea la prevista, es decir, de 50 ºC, aproximadamente; por éso, hay que calentar el aceite hasta mayores temperaturas. Si esta temperatura es más alta, nos acercamos al punto de ebullición del metanol, 65 ºC, lo cual puede llegar a ser peligroso, a menos que se emplearan reactores de flujo pistón con relleno y reacción química. Si queremos aumentar la velocidad, y desplazar el equilibrio en el sentido de los productos, deberemos poner una cantidad de metanol mayor, y recuperar el exceso de metanol, de modo que vuelva al tanque de mezclado con el catalizador. Esta solución produce un ahorro de tiempo y, además, se procura que el combustible así obtenido no contenga mas de un 0,3% en peso de metanol; un porcentaje mayor, teniendo en cuenta la mayor volatilidad de este alcohol, podría producir fenómenos de autoencendido. Una solución alternativa podría ser el uso de etanol en lugar de metanol, pero ésto nos podría llevar a problemas de absorción de agua y a problemas de separación de fases, pues se aumentaría la miscibilidad parcial del éster en la glicerina. Nosotros estamos dirigiendo un estudio, en la actualidad, en el que la idea es obtener etiléster. De este modo, la reacción de transesterificación es muy rápida, alcanzando una conversión del 85% en 10 minutos, pero consiguiendo una menor velocidad a partir de ese instante; para mejorar la velocidad en su conjunto, se puede introducir el alcohol en distintas zonas del reactor, con lo que se aumenta también el rendimiento de la fase de mezclado. Para que la mezcla sea constante, se dispone siempre de un agitador accionado por un motor eléctrico. 7.6. Separador centrífugo Para conseguir las dos fases independientes, instalamos un separador centrífugo: al entrar en el tambor, la fase más pesada se desplaza hacia la parte exterior, saliendo por el extremo correspondiente, mientras que la fase ligera sale por la zona central. Características del separador centrífugo: Rotor = 4.200 r/min. Presión a la entrada = 0-200 kPa.

326

Los biocombustibles

8. Transporte El transporte se hace por carretera desde la planta hasta el lugar donde se deba hacer permanentes los depósitos de almacenamiento; de este modo, se transporta el metilester ya obtenido en lugar del aceite. En principio, podría caber las dos posibilidades, ya que las densidades de ambos compuestos son parecidas y no supondría una gran variación, pero lo que tiene una gran importancia es la distinta viscosidad de ambos compuestos, por lo que se elige transportar el menos denso, para facilitar todas las operaciones de carga y descarga en los camiones, así como la descarga en los tanques de almacenamiento. Además, así se sigue la tendencia generalizada de ubicar las plantas de proceso cerca de las fuentes de abastecimiento, y se consigue de paso que las industrias estén, normalmente, lejos de las ciudades, y que el valor añadido se aproxime lo más posible al campo, a la agricultura, y por el notable ahorro en mano de obra.

Bibliografía Agencia Internacional de la Energía. Renewables in Global Energy Suppy. Disponible en Web: http://www.iea.org/textbase/papers/2006/renewable_factsheet.pdf Barnwal, B. K. y Sharma, M. P. (2004): Prospects of biodiesel production from vegetabl oils in India, in Renewable & sustainable energy reviews. Briceño, Y. (2006): Tecnologías de esterificación de aceites vegetales, en Biodiesel y cooperación para el desarrollo. Ed.: Ingeniería Sin Fronteras – Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. Castro, P.; Coello, J. y Castillo, L. (2007): Opciones para la producción y uso del biodiésel en Peru, Lima. Edita GTDZ. CIEMAT (2006): Análisis de ciclo de vida de la obtención de biodiésel. Ministerio de Medio Ambiente. Madrid. Comisión Europea (2006): Informe sobre los biocarburantes. Disponible en Web: http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/site/es/com/2006/com2006_0845es01.pdf Comisión Europea (2001): Libro Verde. Hacia una estrategia europea de seguridad del abastecimiento energético. Ed. Unión Europea. Bruxelas. De Sa Parente, E.J. (2006): Análisis crítico del programa brasileño de biodiésel, en en Biodiésel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. Dorsa, R. (2004): Vegetable oils technology. Campinas, Brasil: Westfalia Separator do Brasil Ltda. Terrón, J. A. y Empresa Municipal de Transportes de Madrid (2006): «El biodiésel: perspectivas de utilización», en La biomasa y los biocarburantes como fuente energética. Toledo. Fennema, O.R. (1993): Química de los alimentos. Acribia. Zaragoza. Henning, R.K. (2006): The Jatropha System, en en en Biodiesel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. IDAE (2005): Plan de Energías Renovables de España 2005-2010. I.D.AE. Madrid. IDAE (2006): Boletín IDAE: eficiencia energética y energías renovables, n.º 8, octubre de 2006. Disponible en Web: http://www.idae.es/index.asp?i=es

Planta de metiléster

327

Ingeniería Sin Fronteras (2006): Biodiésel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Univ. Politécnica de Madrid. Madrid. Ingeniería Sin Fronteras (2007): Producción de biodiésel. Aplicaciones a países en desarrollo. Editan: Ingeniería Sin Fronteras – GOCMA - Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. Ferro, J.M. y Ferro, A. (2006): Biodiésel, perspectivas de futuro en España. Anales de Mecánica y Electricidad. Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI. Madrid. Fondo Monetario Internacional (abril 2007): World Economic and Financial Surveys. World Economic Outlook. Spillovers and Cycles in the Global Economy. Disponible en Web: http://www.imf.org/external/pubs/ft/weo/2007/01/pdf/text.pdf. Font de Mora Rullán, E. (2006): Biocarburantes y ayuda al desarrollo en Biodiesel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. Francis, G. (2006): «Jatropha curcas – its promise as a tool for rural income generation», en Biodiésel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. González, J.F. (2006): «Biodiésel en países en desarrollo», en Biodiesel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Univ. Politécnica de Madrid. Madrid. Lawson, H. (1994). Aceites y grasas alimentarios. Tecnología, utilización y nutrición. Edit. Acribia. Zaragoza Lucas, H. y Faillenot, M.N. (2006): «Los biocombustibles líquidos para el transporte en América Latina», en Biodiésel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. Marcos Martín, F. (1985): «Aplicación de técnicas multidimensionales a la planificación energética». Rev. Energía. Julio-agosto, Año XI, n.º 4:97-104. Marcos Martín, F. (2001): Biocombustibles sólidos de origen forestal. AENOR. Madrid. Martínez Rodríguez, M. (2006): «Utilización de aceites vegetales usados para la obtención de biodiésel», en Biodiésel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. Mata, F.A.J. (2006): «¿Qué hacemos con la glicerina?», en Biodiesel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. Ministerio de Minas e Ingeniería de Brasil (2006): Biocombustibles en Brasil: Políticas de Gobierno y Regulación. Primer Simposio Ecuador- Brasil sobre biocarburantes. Nogueira V. (2007): Funcionamiento del mercado de futuros de aceites vegetales. Expo-Congreso Internacional de Biodiésel y bioetanol. La Coruña. Nuria Kemnitz, A. (2006). «Biodiésel in the EU and in develpment countries», en Biodiésel y cooperación para el desarrollo. Edita: Ingeniería Sin Fronteras – Univ. Politécnica de Madrid. Madrid. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO). Committee on Forestry. 18th Session. Italia, marzo de 2007. Disponible en Web: http:// www.fao.org/forestry/webview/media?langId=1&mediaId=11745 Ramírez, J.M. (2006): Condiciones para la distribución y comercialización al por mayor y al por menor, de biodiésel. Encuentro sectorial internacional del biodiésel. Vigo. Van Kasteren, J.M.N. y Nisworo, A.P. (2006): A process model to estimate the dost of industrial scale biodiesel production from waste cooking oil by supercritical transesterification. Resources, Conservation and Recycling (en prensa).

328

Los biocombustibles

Glosario — AGL: Ácido graso libre. — CEE: Comisión Económica Europea. — CIEMAT: Centro de Investigaciones Energéticas Medio Ambientales y Tecnológicas. — ETSIA: Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos. — ETSIM: Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes. — I.D.A.E. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía. — PAC: Política Agraria Comunitaria.

10 Alcoholes

Manuel Camps Michelena

ÍNDICE 1. Introducción. 2. Ventajas y desventajas de los alcoholes. 3. Modificaciones en los motores. 4.

Obtención de etanol mediante fermentación.

5. Obtención del etanol. Procesos. 6. Ejemplo del sorgo dulce. 7.

Posibilidades del metanol.

8.

Formas de obtención del metanol.

9.

Utilización del metanol en vehículos.

10.

Producción y uso del bioetanol como aditivo en la CEE.

11.

Implicaciones de un programa de producción de bioetanol.

12. Análisis final. 13. Conclusiones.

1. Introducción Los problemas más importantes con que nos encontramos en relación con el combustible empleado para conseguir energía son de diversa índole. Así, empezamos por la dependencia general de los países productores de petróleo, y acabamos con la realidad ecológica imperante hoy en día. Si buscamos la solución de ambos a través de la producción de combustibles basándonos en fuentes renovables, podremos obtener, además, otras ventajas. Dentro de estas fuentes renovables aparece, en los primeros lugares, el alcohol, tanto por la posibilidad de obtención en la Comunidad Europea como por el ejemplo que nos ofrecen países que han empezado programas en este sentido, y que aún los mantienen, lo que quizás quiera decir que han obtenido resultados considerados favorables. La obtención de este alcohol pasa por la producción en masa de vegetales ricos en materias azucaradas, y su posterior fermentación. Con esta producción, se podría resolver, en cierta forma, el problema de la conservación de los suelos, tan preocupante en los últimos tiempos. Con este tipo de fermentación y utilización, se podría resolver el problema de la superproducción que ataca al medio rural. Con el empleo de este alcohol en los motores de combustión interna, podríamos poner remedio al problema acuciante de la polución atmosférica, tan problemático en todos los países comunitarios, bandera enarbolada por las más diferentes posiciones políticas. Con la producción y uso de este tipo de combustible, en fin, pondríamos final a esta dependencia legendaria de esos países, con los que no tenemos, en la actualidad, más unión que la relativa al petróleo. Esta dependencia, que aún se puede mantener, acabará siendo catastrófica para los países que no disponen de la fuente natural. Los países de la OPEP (Organización de Países Exportadores de Petróleo) no tardarán en subir los precios del crudo a medio plazo, en primer lugar porque tienen limitadas sus reservas, pero también por la necesidad de utilizar estas reservas para sus propias industrias, que crecen de forma espectacular de año en año. Poco a poco, habrá menos países donde escoger, y finalmente, sólo los países del Golfo Pérsico se encontrarán en situación de subvenir las necesidades, cada vez más acuciantes también, del resto de los países del mundo. El uso de alcoholes como combustible no es completamente desconocido, pero hasta hace poco no ha sido utilizado mas que en pequeñas aplicaciones prácticas, del

332

Los biocombustibles

tipo de iluminación. Para empezar a usarlo en gran escala sería necesario que se diera una rara combinación de altos precios del petróleo a la vez que una caída de los precios de la materia prima empleada para la obtención del bioalcohol. Por otra parte, parece evidente que esta utilización de alcohol a gran escala iría en perjuicio de los suelos, ya que la expansión de estos cultivos provocaría un aumento de la erosión en general. La obtención del metanol a partir de la madera es una técnica muy antigua, aunque originalmente era un subproducto del carbón vegetal; entonces, la producción era muy baja, porque casi todo el producto final era el carbón; hoy en día, esta técnica se usa con mejores resultados en muchos países: Brasil, Suecia y otros de la Comunidad Económica Europea. En algunos de estos procesos, se quema algo del alimento con el fin de proporcionar parte del calor necesario para el funcionamiento de la planta, teniendo en cuenta que es la fuente de calor más barata. El metanol se puede convertir en combustible de alto número de octano a muy bajo coste, con la ventaja de que no contiene sulfuros y contamina menos. Esto se puede emplear en países donde no están preparados para utilizar motores que empleen metanol directamente. De todos modos, la conversión de una energía en otra entraña un coste. Al principio, se pensaba que este alcohol etílico proveniente del suelo a través de los cultivos llegaría a utilizarse solamente como un aditivo, y no como un combustible por sí mismo, habida cuenta de las modificaciones que su uso en solitario acarrearía en los motores de explosión. Así, en U. S., se decidió que una proporción aceptable sería la del 10%. En América del Sur, en cambio, en algunos países se llega hasta un 20% en las mezclas de alcohol con gasolina. En los Estados Unidos, la caña de azúcar, lo mismo que otros cultivos productores de azúcar, como el sorgo dulce, representan un potencial bastante escaso, de modo que las posibles fuentes de alcohol tendrían que ser principalmente el almidón de los cereales o de otros cultivos como la patata. El alcohol etílico también se puede obtener a partir de materiales que contienen celulosa, como la madera y residuos vegetales, aunque las condiciones en este caso son más severas. También se han hecho pruebas con el alcohol metílico, pero hay mayores problemas técnicos con este tipo de mezclas, aunque no son insalvables en absoluto. En todo caso, la realidad es que cualquier paso dado en el sentido de ahorrar petróleo a base de mezclar sus derivados con otro tipo de combustible como los alcoholes, requiere subsidios para ser económicamente rentable. Hay tres principales caminos para producir alcohol etílico a partir de materiales biológicos; todos ellos incluyen una primera fase de fermentación por levaduras, seguida de una posterior destilación mediante la aplicación de calor. La duración de cada sistema es distinta, así como la producción de alcohol y su coste, dependiendo del elemento inicial, que puede ser un producto azucarado, almidón o material celulósico. El método más sencillo es el que usa un producto azucarado, como puede ser caña de azúcar o sorgo dulce. Como el rendimiento del cultivo es alto, es también el que

Alcoholes

333

produce mayor cantidad de alcohol por unidad de superficie, aunque ésto no es completamente cierto en el caso de la caña, pues habría que tener en cuenta que este cultivo utiliza el suelo los doce meses del año. En climas tropicales o subtropicales, la alternativa puede incluir dos o mas cultivos al año. En cualquier caso, el cultivo se trata por medios mecánicos para extraer un mosto azucarado. En la caña y el sorgo basta con un simple molino. El jugo azucarado fermenta en un tanque hasta convertirse en alcohol de bajo grado, que contiene demasiada agua para poderse usar como combustible. La mayor parte del agua se elimina en columnas de destilación. La última parte es más costosa. Para usar en mezclas, el alcohol debe ser totalmente anhidro. Cuando se usa sólo, puede contener hasta 10% de agua, o incluso mas, dependiendo del tipo de motor. Esto encarece su uso en la mezcla con gasolina, llamada «gasohol», por lo que se puede pensar en la extracción del etanol a partir de almidón o de celulosa. Las fases de fermentación y destilación son idénticas con estos tipos de alimento que con el azúcar. Cuando se trata de productos que contienen almidón (grano ó tubérculo), se necesita un camino más largo. Antes de la fermentación, el almidón debe ser convertido en azúcar, para lo que se requiere un tratamiento enzimático en un tanque especial. Experiencias realizadas en muchos países avalan la utilización de alcoholes en motores de encendido por chispa. El etanol es, con diferencia, el más usado hasta ahora, pero se empieza a pensar en serio en la alternativa del metanol, aunque con la principal desventaja de la peligrosidad. Los países pioneros son Brasil y Estados Unidos. El etanol se puede usar sólo o mezclado con gasolina, dependiendo de su pureza; así, cuando está puro (99,5%), se puede mezclar, sin apenas modificaciones en el motor; si impuro (95-96%), se utiliza en solitario, si bien es preciso realizar modificaciones de cierta importancia. Los principales programas son el Proalcohol, en Brasil (etanol a partir de caña de azúcar) y Gasohol en Estados Unidos (mezcla de gasolina super y de etanol obtenido a partir de maíz).

2. Ventajas y desventajas de los alcoholes Entre las ventajas, tenemos: • Mejores prestaciones globales. • Incremento del par y del valor energético por unidad de volumen de mezcla. • Combustión más completa, y menores residuos en general. • Aumentaría el número de puestos de trabajo en el campo. • Mejor distribución de la riqueza. Las principales desventajas son: • Mayor consumo, habida cuenta del menor poder calorífico. • Emisión de aldehídos, y posible contenido en ácido sulfúrico. • Problemas de almacenamiento, sobre todo en el metanol.

334

Los biocombustibles

3. Modificaciones en los motores Podemos enumerar las principales modificaciones que sufrirían los motores para poder emplear alcohol como combustible en solitario (en conjunto, superan el número de 300): • Nuevos colectores de admisión. • Válvulas y asientos capaces de soportar mayores esfuerzos, al ser mayor la relación de compresión. • Distinto grado térmico en las bujías. • Variación del adelanto al encendido. • Juntas más resistentes. • Carburador con revestimiento de níquel y bombas de alcohol con cromo o cadmio, para evitar la corrosión. • Tuberías de nylon, y diafragma de la bomba de combustible de materiales que no sean atacados por el alcohol. • Tratar con plomo o estaño el depósito de combustible. Ford Motor Company construyó un motor capaz de trabajar con metanol puro, en el modelo Escort, denominado con las siglas FFV (flexible fuel vehicle), que puede utilizar mezclas de gasolina y metanol en cualquier proporción, y que tiene en cuenta automáticamente cada nuevo porcentaje. En cualquier caso, la obtención de alcohol de forma industrial se realiza a partir de tres distintos substratos: producto azucarado, almidón o material celulósico. Cualquiera de ellos requiere una preliminar molienda o desagregación, seguido de una fermentación y la destilación final. Cada uno de ellos es más costoso que el anterior. En el caso del metanol, el substrato es material celulósico, que se puede obtener tanto de especies arbóreas como de cultivos herbáceos.

4. Obtención de etanol mediante fermentación Químicamente, la obtención de etanol a partir de almidón se realiza del siguiente modo: Tres procesos: 1. Conversión enzimática del almidón en azúcar: • Hidrólisis del almidón: → n C12H22O11 2n C6H10O5 + n H2O (almidón) α-amilasa (maltosa) • Sacarificación: C12H22O11 + H2O (maltosa)

→ glucoamilasa

→ C12H22O11 + H2O (sacarosa) invertasa

2 C6H12O6 (glucosa)

C6H12O6 + C6H12O6 (glucosa) (fructosa)

Alcoholes

335

2. Fermentación: La levadura se añade a la mezcla para convertir los monosacáridos en etanol (8-12%) y CO2. Se añaden 450 g de levadura por cada 1.000 l de mezcla. C6H12O6 → (glucosa, fructosa)

2 C2H5OH + 2 CO2 (etanol)

Para el proceso, p = 48 a 72 bar, y t = 29-35 °C. 3. Destilación: Donde el etanol se separa. A nivel mundial, se piensa en soluciones globales; así, para sustituir por metanol toda la gasolina y el gasoil empleado en locomoción en los Estados Unidos, se necesitarían unos 85 millones de hectáreas; desde luego, hoy no se puede pensar en sustituir la totalidad de este combustible, pero sí una parte del mismo. Si hiciéramos el mismo estudio en España, con una sexta parte de habitantes, una utilización aproximada del 50%, y suponiendo que nuestra meta fuera, en principio, la sustitución del 15% del combustible dedicado a locomoción, llegaríamos a una cifra de un millón de hectáreas, como podemos ver a continuación: 85 × 1/6 × 0,5 × 0,15 = 1,06 Se trataría, por lo tanto, del 2% de la superficie total de España, que podría representar una parte del terreno agrícola marginal, muy superior aún a las posibilidades que nos pudiera brindar la normativa europea. No podemos olvidar el uso de estos alcoholes como aditivos oxigenados. Se tiende hacia la combustión ecológica, como ya sabemos, aunque los intentos actuales han sido más por mera política que reales; debemos decir que hasta ahora no se ha conseguido gran cosa, pero puede ser que todo consista en empezar. Casi todos los motores que hay ahora en el mercado disponen de catalizador, para agredir menos al ambiente, pensando fundamentalmente en óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono y productos sulfurados. El caso es que este sistema catalítico no actúa bien en presencia de plomo, por lo que se hace necesario sustituir este elemento entre los aditivos de las gasolinas para aumentar la relación de compresión y, por lo tanto, el rendimiento. Entre los nuevos aditivos destaca el MTBE (obtenido a partir del petróleo) hasta un 10%, el ETBE (a partir del bioetanol), el metanol (del gas natural), el TBA como disolvente del metanol en mezclas (M3TBA2 es 3% de metanol, 2% de TBA y 95% de combustible petrolífero), etanol, (también como disolvente, M3E3), incluso etanol puro. El volumen de compuestos oxigenados que se produce en la actualidad, así como el de los que están siendo planificados, es bastante para cubrir la demanda de octano hasta el fin del siglo. Sin embargo, si tomamos el test de Spelman, la cantidad de MTBE disponible no es bastante para cubrir la demanda, dependiendo, además, su precio en gran medida del precio del metanol, producto que se ha encarecido últimamente. Por lo tanto, y como conclusión, podemos decir que el uso de ETBE, así como el uso del etanol, como sustitutos del MTBE, depende de dos aspectos independientes. Por una parte, del precio del metanol, que depende a su vez de la demanda petroquímica; por otro lado, muestra una gran sensibilidad en relación con el precio del petró-

336

Los biocombustibles

leo sin plomo. La mejor sustitución surge cuando ambos precios son altos. Tal como sucedió durante el primer semestre de 1991. Se observa que la volatilidad de estos componentes es más alta que la del petróleo, excepto para el caso del MTBE, siendo ésta una de las razones por las que se considera como el compuesto oxigenado más apropiado. Para compensar esta volatilidad, algunos de los elementos que usualmente se encuentran en las mezclas deberían ser eliminados, generalmente el butano. Este hecho ha sido tenido en cuenta en el momento de hacer un estudio económico, porque ésto puede implicar una pérdida para la refinería, cuando se encuentra forzada a separarlo del petróleo y venderlo en otro mercado, en el que el precio es más bajo. Objetivo prioritario de la Política Energética Comunitaria es la diversificación de las fuentes de energía. Los biocarburantes serán, entonces, una fuente de energía renovable, dependiente de los cultivos. La empresa Ecocarburantes Españoles, participada mayoritariamente por Abengoa, se va a dedicar a la explotación de una planta en Cartagena, para producir 100.000 m3 de etanol deshidratado al año, partiendo de 300.000 t/año de cereales. La planta está diseñada de forma flexible, para permitir la alimentación alternativa de distintos tipos de materias primas, aunque fundamentalmente se deban tener en cuenta la cebada, el trigo, el maíz y los alcoholes vínicos. La utilización de importantes cantidades de cereales por Ecocarburantes se enmarca dentro de las directrices Comunitarias, manteniendo el nivel de renta de los agricultores, generando puestos de trabajo, pues la superficie a cultivar para satisfacer las necesidades de la planta sería de unas 60.000 ha, que equivaldrían en mano de obra a una cantidad aproximada de 1.600 puestos de trabajo. Además, cumple con los objetivos de la Política Agraria Comunitaria, en referencia a la conservación del espacio rural y del medio ambiente. El ETBE se obtiene por síntesis química de etanol con los isobutilenos procedentes del craking del etileno o de FCC producidos en las refinerías, siendo apto para incluirse en la formulación de gasolinas en sustitución del MTBE, obtenido de metanol importado. La capacidad de fabricación de MTBE en España se cifra en 280.000 t/año aproximadamente. Suponiendo que todas las plantas se reconviertan a ETBE, la demanda de etanol sería de 210.000 t/año. Repsol dispone de 5 plantas de MTBE, que se encuentran en Puertollano, La Coruña, Tarragona (2) y Somorrostro. CEPSA, por su parte, dispone de una en Algeciras. La producción de etanol de la planta de Cartagena iría destinada a la refinería de CEPSA en Algeciras y a las refinerías de Puertollano y La Coruña, de Repsol. La instalación será la primera planta industrial en España productora de carburante no fósil, siendo una tecnología de vanguardia a nivel mundial. Además, será capaz de dar empleo directo a unas 80 personas, además del que se generaría en la agricultura, y en el proceso de transporte del cereal. Por otro lado, el etanol sustituye al metanol, obtenido en su mayoría de gas natural, siendo necesaria su importación desde terceros países a la Unión Europea. Por ello, se ahorrará el arancel de la importación, estimándose en unas 259.800.000 pesetas al año.

Alcoholes

337

La instalación en Cartagena se debe a su buena situación para la recepción de materias primas, la industria auxiliar de calidad que facilita el montaje de la planta, las posibles sinergias con empresas locales (Enagas, Fertiberia, Química del Estroncio), y la buena disposición de las autoridades. Otro aspecto a tener en cuenta es el cambio que se produce en el volumen y en el peso cuando se añade el compuesto oxigenado. El volumen del butano eliminado no tiene que coincidir necesariamente con el del nuevo, teniendo este hecho repercusiones en el volumen del último fuel, que tiene que ser evaluado económicamente. Del mismo modo, podríamos también descubrir un cambio en el peso final de la mezcla. Finalmente, el número de octano aumenta, siendo ésta la razón por la que se usan estos elementos. El rendimiento en la obtención del etanol puede ser de 450 litros por tonelada de grano. La producción del cultivo viene a ser unos 2400 litros por hectárea. De forma diferente a los otros dos sistemas, éste deja cantidades considerables de alimento proteínico, que constituye un producto adicional de valor apreciable. El uso de la celulosa convierte el método en más costoso y más difícil, a la vez. Se necesita un nuevo paso para convertir la celulosa en almidón. La cosa se complica aún mas cuando la celulosa está asociada con lignina. La producción es mucho menor que en el caso anterior, y es también mucho menor que en el caso de la obtención de metanol a partir de la propia celulosa Los tres métodos producen CO2, que se puede usar en varias aplicaciones técnicas, como enriquecer la atmósfera en invernaderos, o como ingrediente en bebidas carbónicas. Al contrario de lo que sucede con el metanol, que se puede producir hasta en plantas pequeñas y móviles, el etanol que proviene de la celulosa necesita que estas plantas sean fijas y grandes. Tal como dijimos, es bien sabido que el aumento del número de octano de las gasolinas se consigue añadiendo plomo, práctica que se está eliminando debido a sus efectos tóxicos, especialmente en áreas urbanas. El gasohol contribuye también a este aumento del número de octano, y no deja unos residuos tan perjudiciales. De todos modos, existe toda una serie de líneas de investigación para encontrar otros sistemas que puedan alcanzar números de octano altos, y cuya producción necesite menores cantidades de energía que la empleada en la del alcohol. Si se llegara pronto al éxito, el alcohol como mezcla quedaría obsoleto rápidamente. Otra cualidad del alcohol es que contribuye menos a la polución atmosférica que los derivados del petróleo. Tanto el etanol como el metanol tienen unas moléculas más sencillas que las de la gasolina o el gasoil. Queman más completamente y dejan menos residuos. En este aspecto, el metanol supera incluso al etanol. En algunos casos, si tratamos de distribuir los costes de producción entre todos los productos que se obtienen, se puede llegar a la conclusión de que el etanol es un subproducto de la fermentación del grano. En esos casos, la principal intención sería el residuo resultante para alimentación. Entonces, cuando se trate de un subproducto, ¿por qué necesita subvenciones para llegar a ser rentable? En general, podremos tratarlo como subproducto cuando el precio del petróleo sea bajo, y como producto principal cuando los costes del crudo sean altos.

338

Los biocombustibles

La idea es que el metanol es más interesante que el etanol para ser obtenido a partir de la biomasa. El etanol podría servir en un sector limitado, y obtenerse a partir de una agricultura de tipo marginal. Hay dos tipos de destilerías: las que usan grano (principalmente, maíz) de manera convencional, o incluso algún otro tipo de materia prima para producir un combustible de menor grado que puede ser usado como base para gases combustibles. En el otro tipo, el alimento puede estar formado por ensilado, pero mejor si es césped, alfalfa o cualquier otro tipo de cultivo, como pataca. Si se recogen en su momento, estos cultivos están casi exentos de celulosa, y se pueden almacenar durante largo tiempo, con pérdidas de peso inferiores al 5%. El resultado es que el alcohol etílico, en mezclas del tipo gasohol, no parece ser la solución de los problemas energéticos de la humanidad; ni siquiera de la Comunidad Europea. La realidad es que la producción es baja, del orden de 2500 litros por hectárea, y que se obtiene con un coste energético muy alto. Incluso, en mezclas con el 10% de etanol no es rentable. Si, de todos modos, se pudiera llegar a alguna solución, las consecuencias serían muy importantes en cuanto a erosión y daño al suelo. Se tendrían que utilizar grandes cantidades de fertilizantes y de pesticidas, que producirían peores condiciones en el suelo y en las aguas freáticas.

5. Obtención del etanol. Procesos El etanol se puede obtener a través de dos procesos completamente distintos: — Por síntesis. — Por fermentación. Para usos industriales se prefiere el primer sistema, debido a la pureza, que puede alcanzar valores de 99,9%. Para otros usos (alimentación, perfumería, farmacia) tiene más ventajas el segundo. En su uso como carburante, que requiere una pureza de 99,5%, se entra de lleno en el dominio de la fermentación, que hemos visto anteriormente. El sustrato que se podría emplear en Europa es el trigo o la remolacha. La remolacha tiene una producción media de 55 t/ha, lo que equivale a unos 50 hl/ha, pero con la desventaja de la disponibilidad de solamente 60 días al año, paliada en parte por la utilización de los subproductos de las industrias azucareras (caldos de la primera y segunda extracción y melazas). El trigo tiene menor producción (6 t/ha), es decir, unos 21,5 hl/ha, pero está disponible todo el año y se conserva mucho tiempo. Además, los subproductos, que representan la tercera parte de la entrada, pueden cubrir las necesidades proteicas de la alimentación animal. Ninguno de los dos cultivos ofrece decisivas ventajas, por lo que ambos podrían ser utilizados. El sistema empleado para la remolacha es conocido desde hace mucho tiempo. En cuanto al trigo, hay dos métodos para la obtención de la solución de glucosa: la vía húmeda y la vía seca.

Alcoholes

339

— La vía húmeda («wet milling» o vía larga) trata del fraccionamiento de los cereales en medio acuoso; se basa en el proceso del almidón: después de la cocción y la sacarificación, se obtiene una solución de glucosa. — La vía seca («dry milling» o vía corta) consiste en una trituración grosera de los granos, seguida de una cocción - liquefacción en agua caliente. Es la solución más simple, y se encuentra más cerca de la molinería que de la producción de almidón. En cualquier caso, se procede a la posterior fermentación, que convierte la glucosa en etanol y CO2 mediante una reacción de tipo anaerobio y con la presencia de complejos enzimáticos, donde la levadura más conocida es la «saccharomyces cerevisiae». La reacción libera una energía de 1,2 MJ/kg. Hoy se procede a la realización del proceso de forma continua, bien mediante fermentadores en cascada (Vogelbusch y Speichim), bien por el procedimiento Biostil (de Alfa Laval) con un solo fermentador aireado donde, inicialmente, una débil concentración de etanol (5%) evita la inhibición de las levaduras. Este sistema se ha adaptado recientemente a los cereales en Suecia, con una producción de 200 hl/día. Ambos procesos consiguen la extracción del etanol mediante destilación que llega hasta una concentración del 96,4%, seguido de una deshidratación hasta el 99,5% deseado. La destilación continua en vacío no parece tener porvenir, al menos a corto plazo. Los subproductos de la obtención de 285 kg de etanol por tonelada de trigo, son los siguientes: — 370 kg de torta. — 130 kg de salvado. — 240 kg de residuos de bajo contenido en celulosa. Una alternativa potencial al camino clásico de hidrólisis y posterior fermentación para la transformación de lignocelulosa en etanol, consiste en la gasificación de la lignocelulosa; es una tecnología conocida y madura, aplicable a un gran número de materias orgánicas. El producto obtenido, llamado gas de síntesis, está compuesto principalmente por monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e hidrógeno (H2), en proporciones variables. Después de dos series de experimentos, dirigidos a la obtención de distintos porcentajes de estos gases, se ha llegado a la conclusión de que, por este método, se puede llegar a obtener distintos tipos de combustibles, incluido el etanol. Sin embargo, no ha sido posible distinguir si este etanol deriva del gas de síntesis de alimentación o de la solución nutritiva que se usa como medio de fermentación. En la actualidad, hay dos sistemas fundamentales de producir etanol por fermentación: el clásico proceso de fermentación por levadura, utilizando materiales amiláceos fácilmente hidrolizables o ricos en azúcar, que presenta un coste aproximado de 50 euros/hl, y el segundo en importancia (hidrólisis de la lignocelulosa seguida de fermentación), que tiene mayores costes y necesita una optimización ulterior del proceso. Hoy, este proceso da 0,17 kg etanol/m3 reactor y hora. Los azúcares fermentables que se podrían usar para producir alcohol etílico, tienen un valor aproximado de 16 pesetas por kilo; a este precio, el etanol saldría a 60 pesetas por litro, aproximadamente, que no está muy lejos del precio actual.

340

Los biocombustibles

6. Ejemplo del sorgo dulce Producción de biomasa y azúcar en sorgo dulce (t/ha)

Total biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Total azúcares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Variedad Río

Variedad Sart

17,3 4,9

29,6 8,6

Materia prima requerida y superficie necesaria en el caso de sorgo dulce, para conseguir 100 millones de litros de etanol — Para conseguir 515 litros de etanol → necesitamos fermentar 1 t de azúcar. — Para 100 millones de litros de etanol → necesitaremos 194.175 t de azúcar. — Con una producción de 8,15 toneladas por hectárea. — Se requerirán 23.825 ha de sorgo dulce para estos 100 millones de litros. — Esta superficie supone, en el caso de que se dedique un 20% de la finca al cultivo del sorgo, un círculo con un radio de 19,5 km, aproximadamente. Técnicas de extracción del sorgo dulce La extracción de productos agrícolas como el sorgo se puede hacer con dos técnicas distintas: a) Por presión. b) Por difusión. También se podría usar una combinación de ambos métodos. a) Debemos disponer de una cantidad de compresores en serie en una cantidad tal que nos permita obtener la producción deseada. Entre cada dos prensas tendremos que insertar un difusor para que permita absorber de nuevo agua al material inicial para que pueda ser llevado otra vez a la prensa. La cantidad obtenida por esta primera prensada puede ser del 41,5%. b) La difusión del producto para la extracción de los azúcares naturales presentes, se puede hacer de dos formas distintas: 1. Por inmersión. 2. Por percolación. Conclusiones — El producto no puede ser conservado en un almacén a menos que se trate de pequeños intervalos de tiempo. — Es posible concentrar parte del zumo obtenido. — Hay varias formas de extracción de zumo, una por compresiones múltiples y otra por presión y difusión alternadas.

Alcoholes

341

— Un segundo estrujado dificulta de algún modo la posterior difusión. — Los residuos secos se pueden utilizar fácilmente quemándolos. El poder calorífico inferior de este bagazo seco es de unos 17 MJ/kg. Prototipo de cosechadora de sorgo dulce Se trata de una cosechadora Claas, con un rendimiento de 50 t/h, con las desventajas de que es demasiado grande, bastante cara y necesita llevar un remolque lateral. En unas pruebas realizadas en 1987, se obtuvo un 50% del azúcar presente en los tallos en una primera compresión; una segunda presión extrajo un 50% del azúcar que quedaba en el bagazo (orujo, brisa), con lo que se consiguió un total del 75%. El orujo restante se secó hasta un 10%, humedad perfecta para su combustión, dando los anteriormente expresados 17 MJ por cada kg. El cultivo del sorgo dulce para usos energéticos e industriales El sorgo dulce presenta un tipo fotosintético en C4, caracterizado por una gran eficiencia de la fotosíntesis, una mejor eficiencia para la utilización del agua y una mejor utilización del nitrógeno. Todo esto representa una importante producción de biomasa por unidad de superficie. Tiene numerosas ventajas: — más de 30 t/ha de materia seca en zonas del sur de Europa; — múltiples usos: producción de etanol a partir de las zonas azucaradas del tallo, producción de aceites pirolíticos y producción de pasta de papel a partir del orujo; — estos usos se pueden dirigir en el sentido de mejorar unos a costa de los otros; — esta especie ya ha sido estudiada en otros países (USA, Brasil, India), con lo cual nuestro trabajo se reduciría a una adaptación a nuestras condiciones. El rendimiento es de 33 t/ha en el sur de Europa y de 25 en Europa Central. La investigación se centraría en los siguientes aspectos: — Caracterización de rendimientos potenciales en Europa; — Análisis de procesos de mejora del rendimiento; — Elaboración de un modelo de funcionamiento; — Estudio del efecto de las bajas temperaturas y estrés hídrico; — Definición del tipo óptimo de cultivo. Los estudios llevados a cabo hasta ahora tratan de mejora genética (Italia, Alemania y España), recogida y almacenamiento (Italia y Alemania), y usos industriales y energéticos (Italia y Alemania). El jugo azucarado fermenta en un tanque hasta convertirse en alcohol de bajo grado, que contiene demasiada agua para poderse usar como combustible. La mayor parte del agua se elimina en columnas de destilación. La última parte es más costosa. Para usar en mezclas, el alcohol debe ser totalmente anhidro. Cuando se usa sólo, puede contener hasta 10% de agua, o incluso mas, dependiendo del tipo de motor.

342

Los biocombustibles

7. Posibilidades del metanol Parece ser, entonces, que debemos contar con la alternativa del metanol. Ciertamente, el resultado final, en cuanto a energía, es más positivo en el caso del metanol que en el del etanol. El etanol tiene una producción baja y unos costes altos, además de dos problemas de gran importancia, como son el almacenamiento y el efecto sobre el suelo. Algunos cultivos son capaces de ejercer su propio control de las hierbas no deseadas. Por ejemplo, la pataca (Helianthus tuberosus) desarrolla bajo ciertas condiciones una especie de sombrerete que puede impedir el crecimiento de malas hierbas a partir de sus semillas. Existe la posibilidad de emplear cultivos selváticos de forma intensiva, queriendo dar a entender especies que se mantienen hasta diez años, o algo mas en algunos casos. Como no se recoge todos los años, la erosión disminuye. Un sistema de producción de biomasa podría ser aquél que tuviera en cuenta unas fuentes tan distintas como las de esta silvicultura intensiva, cultivos herbáceos perennes, o bosque convencional. En USA se utilizan al año unos cuatrocientos mil millones de litros de gasolina y ciento cincuenta mil millones de litros de gasoil, lo que representa una energía aproximada de 2 · 1013 MJ. ¿Qué cantidad de biomasa se necesitaría para proporcionar toda esta energía? Un litro de metanol equivale a 18 MJ; pero, al tener mejor rendimiento que la gasolina, podemos suponer 20 MJ por litro. Necesitaríamos, por lo tanto, unos 1012 litros de metanol, que se podrían obtener a partir de mas de 109 toneladas de biomasa seca. A una media de 15 toneladas de materia seca por hectárea, se necesitarían unos 70 millones de hectáreas, lo cual no resulta demasiado descabellado en una ó dos décadas, si se asumiera esta solución, naturalmente. En cuanto a cultivos herbáceos, hay algunos que llegan a 30 toneladas por ha; la alfalfa puede alcanzar 20, y tiene necesidades moderadas de agua. Otra idea a tener en cuenta es producir especies selváticas en plan intensivo; ésto significa especies de producción de madera de rápido crecimiento, y que puedan ser cortadas en breves períodos de tiempo, entre 4 y 10 años. Algunas de éstas pueden alcanzar producciones de 4 ó 5 toneladas por año. El bosque convencional nos puede proporcionar también buenos resultados, conociéndose especies que alcanzan las 2,5 toneladas de madera por año, aunque, con otros elementos que también entran en la denominación de biomasa, se podría llegar hasta 5 toneladas. Todas estas cantidades se podrían duplicar en cuanto se generalizara este empleo alternativo de la madera, al mejorar el rendimiento en todos sus aspectos (incluida la ingeniería genética). En el presente o en un futuro cercano no se puede hablar de rentabilidad de estos sistemas; pero, mientras los costes de la biomasa tienden a bajar, los de las fuentes fósiles no van a hacer otra cosa que subir. Tardará mas o menos, pero acabarán encontrándose ambos costes.

Alcoholes

343

8. Formas de obtención del metanol Ya se menciona a menudo el metanol como el combustible futuro para el transporte por superficie. Es un combustible de una gran versatilidad, y una materia prima importante en multitud de procesos químicos. Además, se puede obtener de formas muy diversas; el gas natural es una mas de las fuentes de que se obtiene el metanol; éste es más manejable, menos volátil, y menos peligroso en caso de vuelco; en su combustión accidental, se apaga con agua. En superficie, el transporte de metanol por tubería es más barato que el del gas natural, cuando se trata de grandes distancias. Además, de metanol se puede obtener también gasolina, aunque con merma de energía, pero en algunos casos puede ser conveniente. (Realmente, se puede conseguir gasolina a partir de la biomasa directamente, sin tener que pasar por el escalón intermedio del metanol). La obtención del metanol a partir de la madera es una técnica muy antigua, aunque originalmente era un subproducto del carbón vegetal; entonces, la producción era muy baja, porque casi todo el producto final era el carbón; hoy en día, esta técnica se usa con mejores resultados en muchos países: Brasil, Suecia y otros de la Comunidad Económica Europea. En algunos de estos procesos, se quema algo del alimento para proporcionar parte del calor necesario para el funcionamiento de la planta, teniendo en cuenta que es la fuente de calor más barata. El metanol se puede convertir en gasolina de alto número de octano a muy bajo coste, con la ventaja de que no contiene sulfuros y contamina menos. De todos modos, la conversión de una energía en otra entraña un coste. Hay dos preguntas que convendría contestar: ¿Qué cantidad de biomasa se precisa para obtener una unidad de metanol? Empleamos como parámetro que una tonelada de biomasa seca produce 700 litros de metanol, aunque se obtiene sin tener en cuenta la energía externa utilizada. La otra pregunta se refiere precisamente a esta energía externa utilizada, dando una relación entre la energía del metanol y la externa de un 50% como término medio. Pero, si tenemos en cuenta solamente la parte de energía no renovable, el metanol tiene una eficiencia total de 2,3.

9. Utilización del metanol en vehículos Los primeros automóviles con motor de combustión interna usaban ya metanol como combustible, y ha sido usado también en carreras, como en la de Indianápolis. En principio, las ventajas del metanol son sus superiores prestaciones, mayor potencia conseguida en relación con el poder calorífico, menor contaminación, temperatura de combustión más baja, y menores riesgos. Comparado con el etanol, destaca su precio, mucho menor. Entre las desventajas, contamos la corrosión, la toxicidad, dificultad de arranque en frío, emisión de metanol sin quemar y aldehídos, principalmente formaldehído, aunque este punto todavía no se ha estudiado debidamente.

344

Los biocombustibles

Sobre todo, las ventajas aparecen a grandes velocidades, mientras que las desventajas se pueden achacar aún a que los motores de metanol no han sido estudiados tanto como los de otros combustibles. Por otra parte, motores que usan el metanol casi puro se encuentran actualmente en el mercado. Después de todo lo visto, hay razones para eliminar la posibilidad del etanol, incluso para el transporte por carretera. El metanol, en cambio, puede ofrecer buenas perspectivas. Y, dentro de este combustible, la biomasa parece ser más beneficiosa que el carbón.

10. Producción y uso del bioetanol como aditivo en la CEE La demanda de gasolina en Europa ha pasado de 94,5 millones de toneladas en 1986 a 96, prácticamente a principios del nuevo milenio. El análisis en su conjunto, nos hace pensar que la industria de la refinería en la Comunidad Europea no sufrirá por la ausencia de octanaje durante, al menos, la próxima década. El uso de los combustibles oxigenados será visto siempre, por lo tanto, como un bien complementario, y compitiendo con los suministrados por las propias refinerías, antes que como un requisito esencial en el mercado de la gasolina. La Comunidad Europea se encuentra con excedentes estructurales de alcohol, que no parece fácil vender. El excedente de vino en 1992 fue de 22 millones de hl, que se corresponden con una producción de alcohol de 2,2 millones de hl. Un posible uso sería su incorporación a la gasolina como movimiento hacia el uso de una gasolina sin plomo. Sin embargo, necesitaría un subsidio, si queremos que sea aceptado por los productores de petróleo. Según la demanda de gasolina de los últimos años, se puede estimar unas necesidades en etanol de 2,5 millones de toneladas, lo que equivale a poco mas de 30 millones de hectolitros. La situación no sería la misma en un escenario de precio bajo del etanol, lo que implica un volumen utilizado alto, que en un escenario de precio alto; en el primer caso, se podría pensar en una superficie de 1,1 millones de hectáreas (suponiendo trigo como único cultivo, 8,5 millones de toneladas); en el segundo caso, no se pasaría de usar unos 7,5 millones de toneladas de etanol, con un nivel de precio similar o poco mayor que el de la gasolina «super». En el futuro, seguirá aumentando la producción, debido, entre otras cosas, a la biotecnología. La producción media de la Comunidad Europea no reflejará diferencias regionales y, en general, la productividad industrial será también mayor. Habrá nuevos cultivos energéticos, como la pataca o el sorgo dulce y tendremos interesantes posibilidades en cuanto a la rotación. La investigación también pondrá algo de su parte en todos estos aspectos.

Alcoholes

345

En las condiciones actuales, es posible disminuir los costes totales del bioetanol en un 10 o un 20%, debido a alguna de las siguientes razones: — Reducción en el precio del producto agrícola. — Reducción en los costes de conversión. — Cambios en los precios de los subproductos. La mayor parte de las plantas de la Comunidad Europea se sitúan en Francia, España e Italia. El sustrato es, fundamentalmente, remolacha y vino. Otros posibles usos del bioetanol: Es posible la conversión del bioetanol en etileno para su empleo en la industria química. Opciones posibles en la agricultura: El actual sistema agrícola tenderá a aumentar la producción, principalmente de cereales. También aumentará la producción de cualquier alimento proteínico, así como el de cultivos oleícolas. Todo ésto supondrá un mayor coste para la Comunidad Europea y sus Estados miembros.

11. Implicaciones de un programa de producción de biotetanol • Con los subproductos se puede alimentar al ganado (torta de aceite), con lo que se podría ahorrar una cantidad sustancial de otro tipo de alimento. • Entre los impactos que produce en el ambiente se incluyen los efectos contrarios producidos por los cultivos intensivos, la polución debida a los procesos de fermentación, el impacto directo por el transporte y almacenamiento, y otros. Muchos de estos efectos se pueden disminuir mediante un diseño más sensible, una localización apropiada y la correspondiente investigación en medida y precaución de la polución. Es notable el beneficio que se percibe en la atmósfera por el cambio del plomo a derivados oxigenados. • Experiencias en Brasil, USA y Suiza confirman que, cuando el apoyo de los gobiernos, tanto financiero como legislativo, es grande, se establece y se mantiene a gran escala un programa de bioetanol; sin esta premisa, los proyectos son muy vulnerables, en especial cuando los precios de los aceites son bajos. • El efecto de un programa de bioetanol en el balance del comercio de los hidrocarburos puede llegar a ser pequeño si se compara con el volumen total del comercio de la Comunidad Europea. • Un programa de bioetanol es capaz de crear puestos de trabajo en las áreas rurales, aunque también es posible que se pierdan en los sectores de la petroquímica y de la refinería. • El análisis energético es positivo, en el caso de la remolacha y del trigo, siempre que se omita la presencia de la energía solar en los cálculos. En este mismo contexto, la remolacha es superior al trigo. No es apropiado, por consideraciones técnicas, comparar los balances energéticos de los derivados oxigenados fósiles con los del etanol que proviene de la biomasa.

346

Los biocombustibles

12. Análisis final Los resultados de este análisis indican que no serían los intereses económicos los que moverían a la Comunidad a meterse en un programa de bioetanol a gran escala. Este estudio está dirigido hacia la comparación del etanol producido a partir de la biomasa como un aditivo a la gasolina con otras opciones capaces también de proporcionar combustible para motores de encendido provocado. Debemos tener en cuenta, sin embargo, que no hay diferencia ninguna entre el etanol que deriva de la biomasa y el etanol de origen fósil. El término bioetanol indica solamente que éste procede, precisamente, de la biomasa. Se contempla a los oxigenados como una buena opción para proporcionar los requerimientos de octanaje de la gasolina, pero tampoco son la única elección en juego. Lo cierto es que hay un aumento en el uso del MTBE, porque se ha establecido un mercado dominante sobre otro tipo de oxigenados, debido quizás a sus mejores posibilidades en cuanto a las mezclas. Además, sus características están más cerca de las especificaciones de las gasolinas. En el sector del transporte, el petróleo es aún el elemento más importante. Sin embargo, tenemos los ejemplos del programa «Proalcool» en Brasil (etanol a partir de caña de azúcar) y el «Gasohol» en Estados Unidos (mezcla de gasolina super y de etanol obtenido a partir del maíz) que demuestran que los biocarburantes están conseguidos tecnológicamente, y disponen de cierta competitividad desde el punto de vista económico. Una de las razones de la existencia de estos programas es la mejora del entorno ambiental, al suprimir el plomo tetraetilo de los carburantes. Pero no es solamente el plomo el que crea esta necesidad, sino la presencia de gases como óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, sulfurados, etc. Para conseguir eliminar estos óxidos, el único recurso existente es el sistema catalítico, que no puede funcionar en presencia de plomo. La supresión del plomo está compensada por uno o alguno de estos tres sistemas: — Refinar mas la gasolina, para ganar octanaje. — Disminuir la relación de compresión. — Utilizar otro tipo de antidetonante. Los Estados miembros de la CEE han autorizado el uso de mezclas de carburantes oxigenados, de modo que, aunque por un lado se disminuye la riqueza energética, por otro se aumenta el rendimiento. El metanol se puede usar también como combustible, en una mezcla terciaria con etanol y gasolina. Esta mezcla está compuesta por 33% de metanol, 60% de etanol y el 7% restante de gasolina. El resultado no es tan bueno como el del etanol, por lo que su uso debe quedar restringido a períodos de escasez de etanol para su utilización como combustible.

13. Conclusiones • El resultado de estos análisis sugiere que el énfasis puesto en los programas del bioetanol no siempre es interesante, en las condiciones asumidas en la actualidad, para la Comunidad Europea.

Alcoholes

347

• Aunque los modelos son relativamente sensibles a los costes de las materias primas y al valor de mercado del bioetanol, el alcance de la variación que se requeriría para que los modelos llegaran a ser rentables sería demasiado grande. • Un precio del aceite del orden de 30-40 USD/barril, o una reducción de las tasas se hará necesario para poder introducir cualquier otro tipo de combustible distinto al tradicional. Algunas características de los cultivos azucarados implican unas ventajas y unos inconvenientes. Entre estos últimos, uno de las más importantes es la poca tolerancia que los alcoholes tienen con el agua. Entre los derivados oxigenados, la superioridad está del lado del MTBE, porque sus parámetros son más cercanos a las especificaciones de las gasolinas. Entre los alcoholes, el GTBA es superior al etanol en términos a sus posibilidades de mezcla, mientras que el OXINOL - 50 es superior a las mezclas del M3E3. Cambios en los métodos de cultivo, en la eficiencia de los fertilizantes, en las técnicas de aplicación de los productos fitosanitarios, y ayudado todo ésto por la mejora genética, han producido un aumento en las producciones de todo tipo de cultivos; por ejemplo, en cereales se puede cifrar en 2 ó 3%, mientras que en remolacha llega al 1%. La producción de cereales para la Europa de los 10 fue de 160 millones de toneladas en 1992; con la ampliación a 12 miembros alcanzó la cifra de 180 millones, representando el trigo unos 80 a 85 millones de toneladas. El dato referido al exceso de azúcar era de 11 millones de toneladas. La producción media en los principales productores de Europa era de 5.9 toneladas/ha de trigo y de 49.9 en el caso de la remolacha. Estas tendencias observadas en el pasado reciente continúan en la actualidad, y la producción media de trigo se estima en 7 t/ha y de casi 60 para la remolacha. Con los adelantos de la biotecnología, se espera dar un salto hasta valores de 10 y de 75 o más, respectivamente. Los resultados obtenidos en ensayos recientes son esperanzadores, con unas producciones de 9 t/ha en pataca en España, y 5-6 t/ha de sorgo dulce en Italia. El etanol se emplea en muchos procesos de las industrias de alimentación, farmacia y cosmética. Lacas, barnices, tintas, fluídos hidráulicos, jabones, detergentes, desodorantes, perfumes y otros. Cualquier alternativa propuesta representaría un mayor coste a la Comunidad y a sus Estados Miembros, que el actual coste de apoyo a los cereales, y este apoyo para el bioetanol representa el mayor coste financiero por un margen considerable. Este análisis nos enseña que muchos ejemplos demuestran un «output» positivo de energía en la producción de bioetanol. Sin embargo, también hay una minoría de ejemplos que muestran un balance negativo de energía. Por consideraciones técnicas, se puede concluir que no es apropiado comparar los balances de energía de los derivados del petróleo con los de los derivados de la biomasa. La mayor ganancia de calor se obtiene con sorgo, ensilado, caña de azúcar, maíz grano, trigo, semilla de soja y avena. El coste de producción neto para el bioetanol es función de tres factores, principalmente:

348

Los biocombustibles

• El coste de las materias primas. • Los costes de manipulación industrial (incluidos los de financiación). • Los ingresos debidos a los subproductos. Sería mucho más económico quemar directamente gasolina en nuestros automóviles y pagar a los agricultores un subsidio directo igual a la cantidad que ellos recibirían como resultado de la producción de etanol. Medidas orientadas a reducir excedentes (los acuerdos de Dublin). • Una política de destilación con intención de reducir altas producciones. • Un plan para reducir la superficie dedicada a vino de mesa por 180.000 ha en los próximos 5 años, que se corresponde con una disminución en la producción del orden de 17 millones de hl. Debemos reestructurar esas plantas para maximizar la energía total contenida en cada una de las partes de esas plantas: hojas, tallo, grano, etc. El análisis financiero se basa en los actuales precios y costes que tendría que afrontar un empresario de los Estados Miembros. Se requiere un enfoque de tipo dual porque, en teoría económica, se puede establecer que, si un proyecto tiene interés económico por parte de uno de los Estados Miembros, o por la Comunidad Europea en su conjunto, esos mismos intereses hacen que sea necesario ciertos ajustes en sus tratamientos fiscales (tasas, subsidios, etc.) para asegurar unas adecuadas condiciones financieras para los empresarios, en aras de procurar el buen final del proyecto. En USA, por ejemplo, las mezclas de gasolina que contienen al menos un 10% de etanol se pueden beneficiar de una disminución en la tasa federal de 6 cent por galón, y una tasa de disminución en algunos estados de hasta 18 cent más por galón, lo que puede llegar en conjunto a 22 cent/galón (aproximadamente 10 pesetas/litro) Estudios similares en Brasil concluyen que la producción de alcohol debe continuar, en general, siendo subsidiada, aunque tenga un impacto negativo en la economía nacional. Alimento base

Coste de producción Euro/hl Bioetanol

Trigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Remolacha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Patata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maíz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pataca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9,5 22,0 50,0 72,0 16,3 23,0

* Media de Estados Miembros (1994).

Figura 10.1. Coste de producción del alimento para bioetanol.

Alcoholes

Producto

l. de etanol/ t. de producto 1

l. etanol/ha

70 180 85 125 370 160 80 250 300

3.500 2.100 3.000 1.900 2.400 3.200 5.000 1.400 700-1.200

Caña de azúcar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mandioca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sorgo azucarero (grano) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Batata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maíz (grano) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Madera 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Patata (tubérculo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (parte aérea) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Residuos de poda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

349

Con la humedad de la cosecha. La producción por hectárea no es anual.

Figura 10.2. Cantidad de etanol obtenible a partir de algunos productos agrícolas primarios y secundarios.

Características

Gasolina «súper»

ETBE

0,720 a 0,770 0,7 a 0,8 85 95 32.020 42.908

0,740 0,3 99/104 117/119 26.640 36.000

Densidad (kg/l) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volatilidad (tensión de vapor en bares) . . . . . . . . . Índice de octano MON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PCI en volumen (kJ/l) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PCI en masa (kJ/kg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 10.3. Comparación de la gasolina con el ETBE.

Propiedad

Fórmula química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peso molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Densidad a 20 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relación estequiométrica . . . . . . . . . . . . . % carbono (en peso) . . . . . . . . . . . . . . . . % hidrógeno (en peso) . . . . . . . . . . . . . . . % oxígeno (en peso) . . . . . . . . . . . . . . . . . Ebullición (principio) (°C) . . . . . . . . . . . . . Ebullición (final) (°C) . . . . . . . . . . . . . . . . . Calor latente de vaporización (kcal/kg) . . . Autoignición (°C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Poder calorífico inferior (kcal/kg) . . . . . . . Calor de combustión mezcla . . . . . . . . . . Índice de octano (RM) . . . . . . . . . . . . . . . Índice de octano (MM) . . . . . . . . . . . . . . . Efecto sobrealimentación (%) . . . . . . . . . . Grado alcohólico en volumen . . . . . . . . . .

Gasolina

Etanol anhidro

Etanol hidratado

(CH)x 114 0,73 15,2/1 84 16 – 40 250 90 367 10.500 0,860 73 73 1,68 –

C2H5OH 46 0,79 9,0/1 52 13 35 78,3 78,3 216 550 6.400 0,815 106 89 7 99,5

C2H5OH 19H2O – 0,81 8,3/1 – – – 78,2 78,2 273 580 5.952 0,815 110 92 9 95

Figura 10.4. Características de los alcoholes en comparación con la gasolina.

Metanol

CH3OH 32 0,79 6,45/1 37,5 12,5 50 65 65 270 570 4.600 0,760 110 90 14 99,5

350

Los biocombustibles

Raíces 48.740 kg

Corona y hojas 38.990 kg

Zumo 7.795 kg

Pulpa 2.760

Materia seca 1.220 kg Etanol anhidro 3.775 kg (4.755 l)

Figura 10.5. Producción de etanol por hectárea de remolacha.

Cosecha de trigo 12.470 kg

Grano 5.420 kg

Paja 7.050 kg

Sólidos fermentables 3.252 kg Etanol anhidro 1.642 kg (2.081 l)

Resto seco 1.610 kg

Figura 10.6. Diagrama de masa (por hectárea) de la producción de etanol del trigo.

Energía solar 25.000 GJ

Medios técnicos 17,7 GJ

Paja 6.400 kg < > 95,1 GJ

Máquina granuladora: Operación 1,7 GJ + Manufactura 0,1 GJ

Gas pobre industrial 0,6 GJ

Gránulos 6.400 < > 95,1 GJ

Pérdidas de energía 38,6 GJ

Gasógeno 10.000 m3n < > 57,1 GJ

Figura 10.7. Balance de masa y energía para 1 ha de paja de trigo.

Figura 10.8. Diagrama de flujo de energía para la obtención de etanol a partir del trigo.

Alcoholes

351

Figura 10.9. Diagrama de flujo de energía para la obtención de etanol a partir de remolacha azucarera.

352 Los biocombustibles

11 Combustibles gaseosos

Manuel Camps Michelena

ÍNDICE 1. Introducción. 2. Biogás. 3. Gas de gasógeno.

1. Introducción Parece ser que las tendencias se dirigen, principalmente, en conjunto, en dos sentidos: biogás y gas de gasógeno. Desde el punto de vista de la biomasa, se deben tener en cuenta tanto el uno como el otro, si bien el uso del gasógeno se suele restringir a tiempos de escasez energética; el biogás, en cambio, va ganando terreno en partes del mundo en los que el precio del crudo hace imposible su empleo. La obtención de estos dos tipos de gas es como sigue: El biogás consiste en residuos húmedos sometidos a fermentación anaerobia, consiguiéndose un producto que tiene, en términos generales, un 60% de metano y un 40% de CO2. Por su parte, el gas de gasógeno se obtiene mediante el uso de residuos secos quemados de forma incompleta, y se obtiene una mezcla de 20-30% de CO, 10-25% de H2, 2-15% de CO2, hasta 4% de CH4 y el resto de N2.

2. Biogás El biogás tiene la ventaja de que se puede considerar casi como un subproducto, siendo el motivo fundamental de la fermentación, en este caso, la reducción de la contaminación, sobre todo cuando se trata de residuos de granjas y de industrias agroalimentarias. La proporción de gas metano presente en el biogás depende de la materia prima empleada:

Material

Estiércol vacuno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estiércol de cerdo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paja 30 mm longitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paja 2 mm longitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mata de patata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hojas de remolacha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hierba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tiempo de fermentación (días)

Contenido CH4 (%)

115 115 120 80 50 14 24

80 81 80 81 75 85 84

356

Los biocombustibles

Requisitos para implantar una instalación de biogás son, además de la propia producción, que el residuo se pueda utilizar aún como abono y que, en conjunto, la rentabilidad esté asegurada, es decir, que sea rentable económicamente. Contenido en M. S. (% )

Estiércol natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estiércol después de la fermentación . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Grado de aprovechamiento

N

P2O5

K2O

1,9

0,8

2,8

30

3,8

2,0

6,4

70

En muchos países hay gran cantidad de pequeñas instalaciones familiares funcionando desde hace decenas de años; particularmente, en La India se conocen mas de 200.000 instalaciones domésticas, que no presentan ningún problema desde hace muchísimo tiempo, aunque debemos tener en cuenta que la temperatura es siempre elevada, que no se suele tener en cuenta el coste que se deriva del movimiento de los materiales, y que, debido a la gran práctica, se realiza comúnmente una selección de la materia prima, lo que favorece la fermentación. Normalmente, hay dos métodos para producir biogás: • el método húmedo, cuando el sustrato tiene un máximo de 15% de materia seca, y el uso de las bombas es sencillo; • el método seco, cuando el sustrato tiene una proporción de materia seca del 25%, de mayor rendimiento en energía pero con mayores problemas en el manejo del material. El sistema para la obtención de biogás a partir de residuos consta de los siguientes elementos: • un depósito aislado térmicamente, construido en chapa de acero, donde se mezclan los residuos; • el digestor, elemento fundamental, de similares características al anterior, con un agitador de paletas, que giran lentamente; • un cambiador de calor, necesario para aumentar la temperatura del digestor, de modo que se puedan realizar las reacciones químicas necesarias; el fluído calefactor es agua; • un compresor, para elevar la presión del gas formado en el digestor, con una presión máxima de salida de unas decenas de bares; • unas bombas, necesarias para vencer las pérdidas de carga del sustrato, formado por distintas materias espesas; • tuberías, presostatos, termómetros, válvulas, quemadores para calentar el agua, contador de biogás. Los aparatos que necesitan energía pueden obtenerla, en parte, del propio biogás producido, aunque pueden funcionar también con otro tipo de combustible, por ejemplo, propano, sobre todo durante el arranque de la instalación. El biogás conseguido a partir de ensilado, tiene una ratio energética (cociente de energía producida y empleada) de 2, con una producción neta de energía (input-output)

Combustibles gaseosos

357

de 30 GJ/ha. En ambos casos, como es usual, se desprecia la energía solar pues, de otro modo, el resultado nunca llegaría a ser positivo. La potencia obtenida con estos combustibles gaseosos en motores es menor que en el caso de la gasolina o el gasoil, debido sobre todo al menor poder calorífico de este combustible, así como a su baja densidad, razón por la cual también es muy inferior su autonomía; salvo casos excepcionales, se suelen emplear en motores fijos, o ver restringido su uso a tiempos de crisis o de guerra, como ocurrió en Europa durante la Segunda Guerra Mundial. Incluso, en estos casos, no es raro que se transforme en energía eléctrica, para lo que se usa un motogenerador, con un motor de explosión de poca velocidad. Funcionan bien a velocidad media y con pares altos. El biogás tiene problemas con la presencia de SH2, ya que es muy corrosivo. Para llegar a una concentración menor del 0,1% en volumen, en instalaciones grandes se usa un sistema de adsorción física mediante productos aminados; el fluído resultante, cargado de SH2, se elimina por calentamiento, con lo que se consigue quitar también una gran parte del CO2, y el gas obtenido queda enriquecido en metano, con el consiguiente aumento de poder calorífico. Tiene la desventaja fundamental en que el coste del sistema es altísimo, y exige personal altamente cualificado. En el caso de instalaciones de menor capacidad, se puede recurrir, para la eliminación del SH2, a alguno de los siguientes métodos: • empleo de una solución de sosa, con el principal inconveniente de la mano de obra necesaria para preparar la solución, el propio consumo de sosa, alta corrosión y, también, el precio; • viruta de hierro, como elemento de un filtro de forma cilíndrica; hay que oxidar antes la viruta, para facilitar las reacciones químicas; se necesita una soplante; la reacción con la viruta es muy exotérmica, pudiéndose llegar a fundir; • quelatos, asimismo como elementos de un filtro, pero se tienen que usar en gran cantidad; • cloruro férrico añadido a la carga diaria del digestor, que no parece haber dado los resultados que, en un principio, se esperaban; • tierras a base de óxidos de hierro, que dieron un resultado bastante bueno durante algunos meses, para bajar de rendimiento a continuación, lo que impulsó al cambio del material.

3. Gas de gasógeno En cuanto al gas de gasógeno, obtenido a base de residuos forestales o agrícolas, supone también el aprovechar unos combustibles que, de otro modo, no se emplearían con esta facilidad y, sobre todo, no se podrían usar, en forma de gas, como combustible en motores de combustión interna. El sistema usual para la obtención del gas de gasógeno consiste en hacer pasar una pequeña cantidad de aire (mezclado con vapor de agua) a gran velocidad a través de una gran masa de leña o carbón en combustión. El oxígeno presente en el aire quema el carbón, y desprende CO y CO2; éste se reduce de nuevo a CO al entrar en contacto con el car-

358

Los biocombustibles

bón al rojo. El vapor de agua se disocia en H2 y en oxígeno, que se aprovecha para seguir quemando combustible, y produciendo mas CO y CO2. En todo el proceso, se produce también metano, y el nitrógeno, inerte, aparece en los gases finales de la combustión. El porcentaje de cada producto depende, como es natural, de la composición inicial del sustrato:

Antracita . . . . . . . . . . Carbón bituminoso . . Coque . . . . . . . . . . . . . Leña . . . . . . . . . . . . . . Residuos agrícolas . .

CO

H2

CH4

O2

CO2

N2

25 23 28 20 12 a 28

20 10 10 18 7 a 20

0,5 3 0,5 2 0,5 a 3

0,5 0,5 0,5 — 0 a 0,5

5 5 5 12 4 a 20

49 58,5 56 48 45 a 60

La instalación necesaria consta de los siguientes elementos: • generador, donde se realiza la combustión incompleta; según el tipo de corriente, puede ser ascendente, descendente o transversal; • depurador, pues el gas que sale, a temperatura comprendida entre 300 y 500 °C, contiene impurezas, preferentemente de alquitrán, resinas, fenoles y ácidos; • cambiador de calor, donde se enfría hasta una temperatura de 70 a 80 °C, para aumentar su densidad y, por ende, su poder calorífico; • dosificador de aire, para poder realizar la mezcla necesaria para llegar hasta la combustión completa; • todos los accesorios que cualquier instalación requiere, al igual que en el caso del biogás. Ambos tipos de combustible se pueden emplear tanto en motores de ciclo OTTO como de ciclo DIESEL. En los de gasolina, el gasógeno, al tener un número de octano muy alto (superior a 100), admite una relación de compresión de 14, con el consiguiente aumento en su rendimiento; en los de gasoil, en cambio, su rendimiento disminuye, pero no hay que hacer ninguna modificación en el motor (normalmente, se mezcla con una parte de gasoil, que no suele pasar del 10%). Para poder usar estos gases en motores Diesel, éstos deben sufrir ciertas modificaciones, pero ésto puede ser más rentable que el diseño de motores específicos; sin embargo, se pueden utilizar sin problemas en motores de gasolina. Se han efectuado algunos cálculos en cuanto a las relaciones estequiométricas y a los rendimientos de estos combustibles en motores Diesel, y se obtienen los siguientes resultados: • para el gas de gasógeno, la relación de mezcla es de 1,10, expresado en m3 de aire por m3 de gas (ambos en condiciones normales), la relación de compresión, 14 (por 17 el gasoil), la relación de combustión, 4,2 (como el gasoil), y el rendimiento termodinámico, 0,454 (el 92% del gasoil); • para el biogás, respectivamente, 5,80 para la mezcla, 15 la relación de compresión, la misma de combustión, y 0,467 el rendimiento (95%). No se dice nada acerca de los demás rendimientos puestos en juego; se puede suponer que los valores de los rendimientos indicado y mecánico no varían sustancialmente.

Combustible

Composición media

Relación estequiométrica

Poder calorífico de la mezcla

Número de octano

MJ/kg

m3 aire/m3 combustible

MJ/m3

N.O.

Temp. °C

Pres. bar

–36

76

Poder calorífico inferior MJ/m

3

Valores críticos

Bio-gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60% CH4; 40% CO2

21,6

17,8

5,72

3,21

> 120

Gas de gasógeno . . . . . . . . . . . . . . . . ...............................

23% CO; 18% H2 10% CO2; 2% CH4

5,57

5,05

1,17

2,57

> 100

–130

51

Metano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

CH4

35,9

50,1

9,53

3,41

115

–82,5

47

93,5

46,3

–

3,68

112

90

44

LPG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90% C3H8; 10% C4H10 C16H34

–

41,8

–

3,97

–

–

–

Gasolina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C8H18

–

43,1

–

3,77

> 90

296

24,2

Fuente: Ortiz-Cañavate, J. et al, 1981.

Figura 11.1. Propiedades del biogás y gas de gasógeno en comparación con otros combustibles líquidos y gaseosos.

Combustibles gaseosos

Gasoil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

359

360

Medios técnicos 2,4 GJ

Hierba 10 td. m < > 170 GJ

Efluente 7 t < > 51 GJ/ha

Energía inútil 41,6 GJ

Los biocombustibles

Energía solar 40.000 GJ

Fertilizante 9,4 GJ

Digestor 27,4 GJ

Biogás 2.900 m3 < > 62,9 GJ

Calentamiento del digestor 10 GJ

Pérdida de energía 56,1 GJ

Energía útil 52,9 GJ

Figura 11.2. Balance de masa y energía para 1 ha de ensilado de hierba para producir biogás.

12 Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

Francisco Marcos Martín Jesús Ruiz Castellano M. Inés Izquierdo Osado

ÍNDICE 1.

Planteamiento de la cuestión.

2.

Aspectos positivos, desde el punto de vista ambiental del uso de los biocombustibles.

3.

Los dos planteamientos del uso energético de los recursos forestales procedentes del monte.

4.

Aspectos negativos, desde el punto de vista ambiental, del uso de los biocombustibles. 4.1. Incidencia en el medio ambiente durante la fase previa a la extracción. 4.2. Incidencia en el medio ambiente durante la fase extractiva. 4.3. Impacto sobre la fauna originado en las distintas fases. 4.4. Impacto sobre el paisaje originado en las distintas fases. 4.5. Resumen de impactos de los aprovechamientos energéticos forestales.

5.

Algunos estudios de fijación de CO2 mediante cultivos energéticos.

Bibliografía.

«El sentido de la integridad de lo creado, de la naturaleza, es principio inspirador de la ética mediambiental» (A. Ramos, 1993).

1.

Planteamiento de la cuestión

Afirmaba Ángel Ramos al ingresar en la Academia de Ciencias: «El hombre tiene un quehacer, un proyecto que realizar. Cuando ejerce su capacidad de leer y de incorporar los imperativos y las exigencias de las demás realidades, el proyecto y el mismo hombre se enriquecen, porque ahí está un principio de sabiduría y un norte ético para su comportamiento: Existencia en la naturaleza de un orden establecido que nos trasciende, un orden que nos precede. El dominio no es despotismo; antes bien, implica el deber de custodiar y promover ese orden, un orden que nos reclama y que dibuja las líneas maestras de la correcta relación con la naturaleza.» (A. Ramos, 1993). Nuestro quehacer en este tema es: 1) Obtener biocombustibles. 2) Recuperar residuos. 3) Realizar las dos actividades anteriores sin despotismo, respetando un orden establecido. Nuestro reto, como personas que trabajamos con los combustibles, en especial cuando éstos proceden de residuos es convertir el residuo en un recurso (por que lo es si lo sabemos hacer) y así solucionar problemas ambientales. Este recurso nos es útil para generar calor, electricidad y algo más importante: Puestos de trabajo. Una central térmica de 10 MW eléctricos alimentada por biocombustible sólido proporciona empleo para 200 personas en su diseño y obra y, en su operación y mantenimiento, 23 empleos fijos. Si para alimentar esta central se cultivan 40.000 ha se consumen 24.000 jornales, por lo que se da trabajo, en total a 133 personas al año. En definitiva mejoramos la calidad de vida de las personas que nos rodean. Pero esto debe hacerse siguiendo las premisas presentadas al inicio de este capítulo y que se recogen en la gráfica 12.1. Un ejemplo real nos puede llevar a entender cuando, por ignorancia, por egoismo, por dejadez o por otros motivos los aprovechamientos para obtener biocombustibles no han respetado ese orden. Es el caso del aumento de la superficie del desierto para obtener leñas y carbón vegetal, como ocurre en el Sahel.

364

Los biocombustibles

...sin la consideración cuidadosa, respetuosa, solidaria de las realidades naturales, incluidas las humanas, el desarrollo no será verdadero progreso. (A. Ramos)

Gráfica 12.1

Por otro lado, en la sociedad se produce un cambio en el comportamiento de personas, instituciones y empresas provocado por aspectos legales como inversiones públicas directas, tasas o impuestos, subvenciones a empresas y/o particulares, sanciones económicas o funcionales. El origen de estas leyes ha de buscarse en que ante un impacto ambiental negativo (real, no inventado por grupos de presión) la sociedad realiza una protesta ante la opinión pública que influye en la clase política para que ésta dicte y mande ejecutar esas leyes. (Véase gráfica 12.2). Además, la elección de una infraestructura agro-forestal que produzca biomasa con fines energéticos está íntimamente relacionada con el entorno natural, histórico y social como se señala en la gráfica 12.3. En este capítulo, guiados sobre todo por las sabias enseñanzas de Jesús Fernández veremos como los biocombustibles, bien obtenidos, elaborados y usados pueden llegan a ser una ayuda eficaz para el hombre del siglo XXI.

2. Aspectos positivos, desde el punto de vista ambiental, del uso de los biocombustibles Juan Carrasco (1990) ya afirmaba que «...una mayor implantación de las energías renovables se presenta como un elemento imprescindible y de gran significa-

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

365

ECONÓMICAS

Gráfica 12.2

ción para evitar la independencia de los combustibles tradicionales evitando, a su vez, los efectos insostenibles a medio plazo que los mismos pueden producir sobre el medioambiente». Así, el uso de los biocombustibles se ha justificado, desde el punto de vista ambiental, por parte de varios investigadores (Fernández, 1997; Carrasco, 1990; Alonso, 1990; Marcos, 2000). Estos autores y otros señalan que cuando se emplean los biocombustibles aparecen, entre otras, las siguientes ventajas ambientales: 1. Se aumenta la cantidad de CO2 fijada para obtener una cantidad concreta de energía térmica y/o eléctrica, en comparación con el uso de combustibles tradicionales fósiles y sus derivados como la gasolina, el gasóleo, ... (Jesús Fernández, 1997). 2. Se disminuye el riesgo de inicio y propagación de incendios forestales, en el caso de extraer residuos del monte. Es el caso del empleo de los mismos para obtener leñas y/o astillas. Si se extrae la paja de cereales se disminuye el incendio de este biocombustible en el campo.

366

Los biocombustibles

Gráfica 12.3

3.

Se disminuye el riesgo de ataques por parte de insectos xilófagos que se alimentan de la madera cortada y de las ramas secas caídas en el monte. 4. Se aprovechan unos residuos sólidos (de industrias alimenticias como la cascarilla de arroz o de almendra, ganaderas, forestales, ...) o líquidos (lejías negras, purines, alperujo, ...) que derramados en el medio ambiente provocarían efectos perjudiciales para el mismo. Para realizar bien el estudio del impacto ambiental se recomienda el uso de la matriz de Leopold en la que se enfrentan las actividades y las variables del medio que pueden ser alteradas (positiva o negativamente). En el trabajo de Marcos, García Benedicto y De la Fuente (1999) se analiza este tema para un caso concreto, los aprovechamientos forestales. La misma actividad que en un lugar puede ser beneficiosa en otro puede ser perjudicial debido a que la composión química del suelo o el pH del suelo son distintos, a que la visibilidad del lugar son diferentes, el regimen de lluvias o temperaturas no son los mismos, ... No debe dogmatizarse en este tema ya que los errores pueden llegar a ser graves. Las variables que deben analizarse en cualquier estudio de analisis de impacto en el medio natural han sido estudiadas por numerosos autores, cuya lista sería muy prolija. Entre ellas destacamos el agua superficial, el agua subterránea, el suelo (desde el punto de vista físico y desde el punto de vista químico), la atmósfera, la flora, la fauna (desde la microfauna hasta los mamíferos endémicos y protegidos), el impacto en bienes de interés histórico y/o cultural y el paisaje.

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

367

3. Los dos planteamientos del uso energético de los recursos forestales procedentes del monte No es acertado confundir los objetivos con los medios y ésta es la idea de fondo de los planteamientos a analizar a continuación. El planteamiento que consideramos correcto presenta como objetivo la mejora de masas forestales deterioradas. Ciertas masas forestales, de origen natural o antropógeno necesitan de tratamientos selvícolas como podas, claras o clareos para conseguir valorizar su madera, evitar el riesgo de inicio y propagación de incendios forestales y evitar la transmisión de plagas si la madera cortada se deja en el monte. En el planteamiento que entendemos correcto el objetivo es mejorar estas masas y como consecuencia obtener energía. Revalorizar esos trabajos selvícolas haciendo un uso energético de este residuo. Se requiere una política inversora, que haga partícipes de los beneficios del monte a los habitantes del mismo, sin trasladar estos beneficios a las grandes empresas con capitales muy alejados del monte, como señalaba Ramos en su escrito al hablar del bosque uniformado. Los últimos datos, septiembre 1998, de la Estrategia Forestal Española parece que son conscientes de estos planteamientos. El planteamiento que entendemos incorrecto, como recoge la gráfica 12.3, es enfocar estos temas desde el punto de vista del ingeniero productor de energía (en muchos casos energía eléctrica, por las indudables ventajas que este vector energético presenta). Desde ese punto de vista, si en un momento dado el precio del kWh de energía procedente de la madera es más competitivo que el procedente de otras fuentes energéticas, se pueden justificar trabajos que lleguen a arrasar masas forestales (ya no sólo de coníferas). Fruto de este planteamiento, a nuestro modo de ver incorrecto, es que no hay unos presupuestos claros para este tipo de actividades, ni un apoyo decidido a la investigación y menos aún a la formación de jóvenes profesionales. El CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medio Ambientales y Tecnológicas), con su sede en Lubia (Soria) en el denominado Dentro de Desarrollo de Energías Renovables (CEDER) cuenta con buenos investigadores, perdidos a veces en demasiados proyectos, con la imperiosa necesidad de «producir» papeles y artículos de revista y tal vez muy alejados de los ingenieros que controlan en sector forestal de las distintas provincias españolas. Sus contactos con Europa son más abundantes que las llamadas telefónicas a Badajoz (por ejemplo), habiendo un muro que no pueden franquear entre la utópica (pero necesaria para susbsistir) comunicación con Europa y la realidad diaria de los gestores de los montes españoles.

4. Aspectos negativos, desde el punto de vista ambiental, del uso de los biocombustibles Las actividades de obtención de biocombustibles pueden incidir negativamente en el medio ambiente. Esta incidencia puede aparecer en cuatro fases.

368

Los biocombustibles

Gráfica 12.4

1. 2. 3. 4.

En la fase previa a la extracción de la materia prima. En la fase de extracción de la materia prima. En la fase de transporte y conversión. En la fase de utilización del biocombustible.

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

369

4.1. Incidencia en el medio ambiente durante la fase previa a la extracción Cuando se realiza un cultivo con fines energéticos ha de elegirse correctamente la especie que se va a sembrar o plantar. Esta especie no ha de ser invasora y si lo fuera ha de poder controlarse su efecto invasor por que si no podría desplazar a otras especies autóctonas. Así, cuando se introducen especies no autóctonas para producir biocombustibles se presentan los mismos inconvenientes que cuando se introducen especies con fines alimenticios (especies agrícolas) o industriales (especies agrícolas o forestales). Sin embargo, muchos de los platos típicos españoles como la tortilla de patata utilizan patata y, sin embargo, en España, la patata no es planta autóctona, sino introducida. El origen de la patata ha de buscarse lejos de nuestras fronteras. El ecologismo a ultranza puede llegar a ser un «racismo vegetal» (según palabras de Jesús Fernández); pero el extremo opuesto de introducir especies exóticas por el mero hecho de que producen mucha biomasa a corto plazo puede conducir a que a medio y largo plazo esas mismas especies colonicen el territorio y una plaga de insectos o de hongos, desconocida cuando se sembraron o plantaron, acabe con ellas en poco tiempo. Ha de buscarse el difícil punto medio entre la prudencia y la audacia. 4.2.

Incidencia en el medio ambiente durante la fase extractiva

Cuando la extracción es de biomasa residual, caso de los residuos forestales de podas, clareos, claras y limpias el impacto sobre el medio ambiente, lejos de ser negativo puede ser positivo ya que: — Se disminuye el riesgo de inicio y propagación de incendios forestales. — Se impide la proliferación de plagas y ataques de insectos y hongos. — Se rentabilizan económicamente unas actividades, como las claras y clareos que son beneficiosas para la masa forestal y que no encuentran una salida de sus productos. — Se crean puestos de trabajo en zonas donde la colocación es dificultosa. Ahora bien, si la extracción actúa sobre el total de la biomasa han de considerarse ciertos aspectos negativos que estudiaremos a continuación; estos aspectos ya los analizamos en 1997 (ver Marcos, 1997). De todos modos hemos de señalar que en el caso del uso de residuos el efecto total es positivo, sobre todo desde los puntos de vista económico (a corto plazo) y social. Hay que estudiar cada caso concreto. Desde el punto de vista ecológico el impacto puede ser ligeramente negativo, negativo o, incluso muy negativo, positivo o casi no producir efecto, reversible o irreversible, poco duradero o permanente. Los aspectos negativos pueden ser: — Aumento de la erosión por retirada total de tocones. — Aumento de la erosión por retirada de todas las ramas de la poda lo que ocasiona que las gotas de lluvia incidan con mayor potencia en el suelo forestal y aumenten la erosión por escorrentía y por arroyada. — Empobrecimiento del suelo por retirada de nutrientes. Este problema aparece cuando se retiran las hojas. Estas no deben retirarse pues aparte del impacto ambiental su poder calorífico es inferior al de la madera.

370

Los biocombustibles

Estos impactos podemos agruparlos como efectos físicos negativos y como efectos químicos negativos. 4.2.1. Posibles efectos físicos negativos 4.2.1.1. Erosión Depende de la fase del proceso de extracción que estemos considerando y del método de saca que se emplee; pero en general, se produce un incremento en la erosión por varias razones. Así, de una manera directa, en la retirada de residuos forestales y de fustes de pequeño diámetro se facilitarán los fenómenos de erosión ya que ésta provoca un gran rozamiento sobre el suelo, que puede ser atacado por las lluvias con los posibles problemas de escorrentía, pérdidas de horizontes, etc. Si hay un horizonte superior de materia orgánica (A) muy reducido, la saca provoca una grave alteración sobre el mismo, al producirse un arrastre mecánico de la capa superficial de materia orgánica. Desde el punto de vista de la estructura física del suelo los trabajos realizados en la saca de los fustes pueden originar compactaciones del terreno por pisoteo de los operarios y por el efecto compactante de las máquinas. El segundo problema, generalmente, es mucho más grave que el primero. Se provoca un problema de erosión al aumentar la escorrentía y provocar, subsidiariamente, un descalce de raíces. También aparece como posibilidad el aumento de erosión por arroyada. Existe una interrelación entre los restos orgánicos del suelo y la erosión. Si llueve a los pocos días del aprovechamiento, retirar todo el residuo en suelos con un horizonte superior de materia orgánica (A) muy reducido provoca una grave alteración sobre el suelo. Pero además, la disminución de restos orgánicos al dejar desnudo el suelo, aumenta la erosión por salpicadura. En resumen, aparecen problemas de erosión por arrollada y por salpicadura que pueden contribuir a aumentar las pérdidas del suelo. Este problema de erosión depende de las características de la zona, (pendiente, relieve, materia orgánica,...). Así en zonas de grandes pendientes el suelo debe estar cubierto para que al llegar las épocas de lluvias se evite en la mayor medida posible. En terrenos más llanos el problema anterior queda sensiblemente reducido. 4.2.1.2. Compactación Dependerá de la maquinaria utilizada, generalmente las presiones sobre el suelo se encuentran entre los 5 y los 11 N/cm2. Los efectos que provoca la compactación de un suelo son : disminución de la porosidad, así como, un incremento en la escorrentía. La extracción de troncos no debe realizarse cuando el terreno este húmedo; Steinbrenne (1955) observó que la compactación provocada por un tractor después de la lluvia es la misma que produce dicho tractor en terreno seco tras cuatro operaciones. El método de extracción tiene un gran influencia en la compactación. Siendo el mejor método la tracción animal, siempre y cuando pueda usarse, y el que más afecta es el arrastre de los troncos o de los residuos, pudiendo producir un incremento de la densidad por encima del 40% a 15 cm de profundidad. Los efectos secundarios de la

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

371

compactación es una pérdida anual en el crecimiento. Se admite que en coníferas suele ser entre un 5 y un 15%, pudiendo llegarse en árboles próximos a caminos forestales a un 40%. La recuperación de estas perturbaciones es lenta. Según algunos autores no suele ocurrir antes de los 15 años. La disminución de restos orgánicos, aparte de limitar la regeneración de los árboles en algunos casos, provoca una compactación, (el suelo de hace menos «mullido»). La gráfica 12.5 recoge los impactos físicos negativos antes citados. 4.2.1.3. Efecto sobre el resto de la masa Este es máximo en la operación de apeo del árbol ya que ocasiona siempre, en mayor o menor medida, un impacto. En la fase de desrame limpiamos el tronco de todas las ramas y de la copa, con lo que además vamos a favorecer la operación siguiente de saca al disminuir considerablemente la superficie de rozamiento del árbol. Esta operación constituye por tanto un impacto positivo para el suelo (menor incidencia sobre la capa de materia orgánica) y el resto de la masa (repoblado, sotobosque, etc.). Es de destacar el efecto de rozadura en la vegetación próxima a la zona. El impacto provocado sobre la vegetación tanto al derribar como al sacar los árboles, dependerá de la técnica empleada y de las características del monte. A mayor mecanización mayor es el riesgo, y se deben estudiar el peso y el ancho de las máquinas. En cortas finales el efecto provocado depende del sistema selvícola empleado para ello. Generalmente la corta a hecho se justifica porque parece ser el tipo de corta que mejor se acerca o imita las condiciones de regeneración de aquellas especies cuyos mecanismos de activación se ponen en marcha con ocasión de perturbaciones graves. Por lo que se refiere a las cortas a hecho que van seguidas de laboreo parece claro que ninguna catástrofe natural «ara» el suelo hasta una profundidad de 30 a 40 cm. en la extensión de todo un tramo. Por otra parte ésta corta, al desembarazar grandes extensiones de terreno, facilita el movimiento de maquinaria de todo tipo, por lo que se convierte en la clase de corta más asequible a modalidades de aprovechamiento más intensivas que las actuales (solo fustes). En el arrastre la acción sobre la vegetación restante provocará la eliminación de parte del matorral y si estamos en alguna zona donde se esté produciendo algún tipo de repoblación, ésta puede verse seriamente dañada debido al posible rozamiento de las plantas jóvenes, influyendo sobre todo en las formas de crecimiento de los mismos. También podría darse un efecto positivo de aumento de la repoblación, al quedar removido y aireado el terreno por el paso de los troncos. 4.2.2. Efectos químicos de la extracción de materia prima forestal para su uso como biocombustible Para estudiar los efectos químicos de la retirada de madera hemos de considerar, como se observa en la tabla siguiente, que el porcentaje de azufre y nitrógeno en la madera es muy pequeño. Por lo que la retirada de madera del monte apenas afecta al

372

Los biocombustibles

Gráfica 12.5

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

373

balance químico de estos elementos. Es decir, retirar madera afecta muy poco a la química del suelo. El azufre suele aparecer en hojas, flores y frutos. Si al retirar el residuo no se extraen hojas, flores y frutos, el azufre sigue permaneciendo en el ecosistema.

Carbono %

Hidrógeno %

Azufre %

Oxígeno %

Nitrógeno %

Cenizas %

Pino Abeto Cedro Encina Chopo Fresno

52,6 52,3 48,80 49,49 51,64 49,73

7,02 6,30 6,37 6,62 6,26 6,93

— — — — — —

40,07 40,50 44,46 43,74 41,45 43,04

— 0,1 — — — —

0,31 0,80 0,37 0,15 0,65 0,30

Media madera

50,26

6,58

—

41,00

0,1

0,61

Especie

La extracción de residuos supone una disminución de la materia orgánica susceptible de ser incorporada al suelo. Dependiendo de la naturaleza química del residuo retirado y de las condiciones climáticas, edáficas y bióticas que inciden en la rapidez de su descomposición e integración al suelo, la acción de retirada de residuos adquiere más o menos importancia en cuanto a las consideraciones sobre la influencia química en el suelo. Un aspecto importante es el proceso de recogida y apilado de residuos ya que en esta operación se debe seleccionar la materia vegetal que se recoge, ya que en el impacto sobre la composición química del suelo existe una notable diferencia entre la retirada de residuos lignocelulósicos (madera) y retirar otro tipo de residuos (hojas), debido a la diferente composición química de ambos. Por un lado, la retirada de productos lignocelulósicos, desde el punto de vista químico no retira nutrientes del suelo. Sin embargo, si al retirar los residuos se retiran las hojas y frutos ricos en oligoelementos, entonces se empobrece químicamente el suelo. La extracción de madera y hojas produce, por tanto, un efecto muy distinto de la extracción únicamente de la madera. La saca de residuos supone un impacto, ya que estos pueden realizar diversas funciones sobre la ecología del ecosistema. Para poder analizarlo debemos considerar los distintos tipos de material vegetal que se puede extraer: — Madera de tronco de pequeñas dimensiones procedente de clareos (diámetro normal menor de 5 cm). — Madera de ramas procedentes de podas o cortas finales. — Madera de ramas procedentes del raberón, que se abandona al realizar el apeo y aprovechamiento por fuste completo o troceado. — Material lignocelulósico y hojas procedentes del material que se limpia y que se añade a la boca de alimentación de la astilladora. Como norma general, se debe sacar siempre lo estrictamente necesario y nunca forzar para obtener mayores producciones que podrían dañar considerablemente el resto de la masa. La gráfica 12.6. recoge el efecto perjudicial que tiene sobre la química del suelo la retirada de residuos incluyendo las hojas.

374

Los biocombustibles

Por otro lado, KIMMINS (1987), citado sin referenciar, en la tabla siguiente, muestra el incremento en la pérdida de nutrientes que supone el cambio de método de aprovechamiento (de sólo fuste a árbol completo) para edades crecientes de pino silvestre. Edad

Incremento porcentual en la pérdida de:

años

N

P

K

Ca

18 28 33 39 44 64 75

188 130 172 164 124 103 77

212 149 150 200 133 114 67

171 97 102 140 108 94 56

129 83 69 88 84 41 59

4.3.

Referencia

Wright & Will,1958 id. Ovington & Mad.,1959 Tamm, 1969 id. Wright & Will,1958 Tamm,1969

Impacto sobre la fauna originado en las distintas fases

El impacto sobre la fauna silvestre puede ser provocado cuando se retira matorral que sirve de cobijo y alimento para la misma. Del mismo modo hay microorganismos vivos que viven de la descomposición de restos orgánicos y que forman parte de la cadena ecológica. El monte en su totalidad forma un ecosistema mezcla de organismos vegetales y animales que se verá influenciado cuando parte de su estructura sea eliminada. En el apeo de los árboles y su posterior salida del monte, se está eliminando un elemento importante del ecosistema, ya que están relacionados no sólo con el suelo, con el que se produce un intercambio de nutrientes, sino también con el resto de la vegetación y los numerosos organismos que viven con ellos en simbiosis, además de los posibles animales que los empleen como cobijo o alimento. Se debe indicar también que los insectos xilófagos y perforadores, como el Blastophagus piniperata, Hilobius abietes, Pissodes notatus, Ips acuminatus y ciertos ecolíticos provocan y son transmisores de plagas. El hecho de no evacuar los residuos de madera y dejar que se pudran en el monte puede provocar el aumento de las poblaciones de estos insectos de forma desproporcionada, con los consiguientes problemas de plagas. Esto se tendrá en cuenta en el momento de la elección del método empleado. Ahora bien, esto es difícil de cuantificar y analizar ya que en realidad cualquier entrada en el monte provocará un impacto en este sentido. En cualquier caso éste será mayor cuanto más interrelacionado esté el organismo que vamos a evacuar y por lo tanto mayores precauciones se deben disponer. 4.4.

Impacto sobre el paisaje originado en las distintas fases

El impacto sobre el paisaje es difícil de evaluar. No depende sólo de la actividad (extracción de biomasa), sino que depende también del medio en el que se realiza esta actividad. Es un criterio muy subjetivo el que puede seguirse. Además dependerá también de diversos factores, como son la edad de la masa, la visualidad del lugar afectado desde distintos accesos (carreteras, pueblos, caminos, ...), el distanciamiento entre cortas, el acceso visual a la zona del monte en cuestión, etc.

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

375

Gráfica 12.6

Si se dejan los residuos en el monte, esto provoca un impacto visual. La importancia del mismo dependerá de la zona del monte en que se dé, si es o no transitable, si es o no un monte con fines, además de maderables, recreativos, etc. 4.5. Resumen de impactos de los aprovechamientos energéticos forestales Como conclusión podemos indicar que todas las acciones que se producen en el monte suponen en menor o mayor grado un impacto ambiental. Ahora bien, el estudio se realiza para considerar en qué medida pueden afectar los procesos de aprovechamiento forestal al resto de la masa y al ecosistema en general, con el objeto de poder tomar las decisiones oportunas en el momento de la ejecución del proyecto. Como resumen y conclusión, referida a las distintas actividades se puede mostrar, a continuación, una tabla que relaciona cada una de las acciones que se producen en la extracción de residuos forestales, así como en la saca de fustes que pueden tener también fines energéticos, con el correspondiente impacto generado en el medio:

Apeo

Suelo Vegetación principal Fauna Paisaje

* ** *** ***

Desrame

Recogida y apilado

N + P *

Fuente: García-Cañete (trabajo no publicado) y elaboración propia. * Impacto leve * * Impacto medio * * * Impacto medio-severo P Impacto muy pequeño N Impacto casi nulo + Impacto positivo

* * * N

Saca Fustes

Residuos

*** *** ** N

** ** ** N

376

Los biocombustibles

5. Algunos estudios de fijación de CO2 mediante cultivos energéticos Según Rieradevall (1990) «las prioridades globales que se han de desarrollar para la protección y la mejora del medio ambiente europeo durante la década de los noventa se centran en los aspectos siguientes: cambio climático, acidificación y contaminación atmosférica, recursos naturales y diversidad ecológica del medio ambiente urbano, zonas litorales y los problemas ocasionados por los residuos». Tres de estas prioridades (el cambio climático, la contaminación atmosférica y la diversidad ecológica del medio ambiente urbano están relacionadas con la emisión de gases como el CO2; por este motivo estudiaremos con detalle la relación del uso de algunos biocombustibles y su emisión o captura de este gas. Además, como señala García Alonso (1990), debido a la gran repercusión del impacto que tendría un cambio climático (originado por la emisión del dióxido de carbono y otros gases del efecto invernadero) el interés trasciende del ámbito científico y es motivo de preocupación internacional a nivel político y social. Como ejemplo de los requerimientos energéticos y emisiones de CO2 de las operaciones de cultivo, extracción, transporte y preparación para la combustión de la biomasa de un cultivo energético, el Miscanthus sinensis var. giganteus, en Austria, se presenta la tabla siguiente debida a Carrasco (1990), basada en datos de Lewandowski y Kicherer.

Input energético

Emisiones de CO2 (kg de CO2 /t de ms)

Emisiones de CO2 (% de las totales)

Micropropagación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transporte de plántulas (100 km) . . . . . . . . . Preparación del campo . . . . . . . . . . . . . . . . . Plantación (5 h/ha) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de malas hierbas (mecánico) . . . . . . Riego (300 mm el primer año) . . . . . . . . . . . Laboreo (arado, etc.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Producción de fertilizantes (100 kg de N, . . . 50 kg de P2O, 200 kg de K2O) Transporte de fertilizantes . . . . . . . . . . . . . . Aplicación de fertilizantes . . . . . . . . . . . . . . . Emisiones de NO del suelo . . . . . . . . . . . . . (2% fertilizante N) Recolección y empacado . . . . . . . . . . . . . . . Transporte de pacas (100 km) . . . . . . . . . . . Preparación para combustión. . . . . . . . . . . . Cont. agua 20%

0,83 0,02 0,03 0,03 0,01 0,10 0,04 2,04

12,3 0,29 0,39 0,48 0,38 1,37 0,62 25,30

11,0 0,26 0,35 0,43 0,30 1,23 0,55 22,63

0,30 0,10 —

4,32 1,42 22,5

3,86 1,27 20,13

0,60 1,00 0,60

8,6 14,4 19,5

7,69 12,88 17,44

TOTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5,7

111,9

CO2 fijado por la biomasa . . . . . . . . . . . . . . . (kg/t de materia seca (ms)

—

Combustible / operación

1.356

100 —

El pionero en los estudios de los cultivos energéticos en España, y maestro de una generación de entusiastas y prolijos investigadores, D. Jesús Fernández González (ya citado profusamente en capítulos anteriores de esta publicación), también evaluó la

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

377

fijación de CO2 para las condiciones españolas. Sus datos publicados en 1997 son los siguientes: Caso 1: Producción de electricidad con biomasa de cardo (Cynara cardunculus L.) (Fernández, 1997). Para estimar el balance de producción de CO2 del cultivo de cardo, se supone que por cada kg de materia seca producido en la parte aérea de la planta se fijan 1,53 kg de CO2 más un 25% que permanece bajo tierra, una parte mineralizada y el resto como materia orgánica. Tomando como base los datos obtenidos en una plantación experimental que dio una productividad de 23,5 t/ha, con un 25% de humedad (17,8 t de materia seca por ha) y un PCI (poder calorífico inferior) de 11,17 MJ/kg, se puede establecer el siguiente balance global de CO2: — Fijación de CO2 en 1 ha de cardo (17,8 t de materia seca) . . . . . . . . . 34,05 t — Producción de CO2 en el proceso productivo: • Maquinaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,25 t • Materias primas (abonos, plaguicidas, etc.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,46 t • Transporte de la biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,06 t — Producción de CO2 en la combustión de 15 t de materia seca . . . . . . 27,29 t Fijación neta por ha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5,99 t Si posteriormente la biomasa producida se combustiona en una central térmica con un rendimiento del 33,3%, el citado autor supone que se producen 25,216 MWh eléctricos, por lo que concluye que por cada kWh eléctrico así generado se eliminarían de la atmósfera 214 g de CO2. Caso 2: Producción de biocombustible líquido (biodiesel) a partir de cultivo de girasol (Fernández, 1997). La especie considerada en este caso es el girasol, Helianthus annus L. (de la que nos hemos ocupado en capítulos anteriores). Jesús Fernández, para realizar sus cálculos, supone que para fabricar 1 l de biodiesel se emplean 1 l de aceite y 0,087 l de metanol, obteniéndose como producto residual 0,1 g de glicerina. El girasol se cultiva en condiciones de secano, en el área mediterránea. Descontando la energía atribuida a la mano de obra, el cultivo de una hectárea supone el gasto de 4.840 MJ. «Tomando como base la equivalencia de producción de 76 g de CO2 por cada MJ de energía consumido, en el cultivo de 1 ha de girasol se producirán 0,37 t de CO2). La producción de biomasa aérea es de 2.300 kg/ha de m.s. (700 kg de pipas y 1.600 kg de paja) y una biomasa remanente bajo el suelo de 575 kg/ha (25% del total), y teniendo en cuenta la composición en carbono de las diferentes partes de la planta (63% en las pipas y 43% en el resto de la biomasa), se puede establecer que por cada ha de cultivo se fija anualmente una cantidad total de 5,045 t de CO2.» La cantidad que se obtendría de aceite a partir del fruto sería del orden del 45% de su peso (315 kg/ha), con un contenido energético de 37,5 MJ/kg. Teniendo en cuenta que en la obtención del biodiesel se gastan 2 MJ/l, que producirían 125 g de CO2 (a razón de 76 g/MJ), se podría establecer el siguiente balance global de CO2 para la producción de un litro de aceite, necesario para la producción de un litro de biodiesel (32,5 MJ/l):

378

Los biocombustibles

— CO2 fijado por el cultivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16,00 kg/l aceite — CO2 generado en el cultivo (por cada litro de aceite): • Maquinaria agrícola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,48 kg/l aceite • Materias primas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,09 kg/l aceite — Transporte del fruto de girasol a la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,06 kg/l aceite — Producción de CO2 en la fabricación de 1 litro de biodiesel . . 0,15 kg/l aceite — Producción de CO2 en la combustión de 1 litro de biodiesel . . 2,38 kg/l aceite Fijación neta por litro de biodiesel consumido . . . . . . . . . . . . . . 11,84 kg/l aceite La sustitución de 1 litro de gasóleo de automoción (36 MJ/litro) por el equivalente energético del biodiesel (1,1 litro) supondría una disminución global del CO2 atmosférico de 15,77 kg (13,02 kg fijados por la cosecha + 2,75 de ahorro por no consumir el gasóleo). Caso 3: Producción de biocombustible líquido (bioetanol) a partir de cultivo de pataca (Fernández, 1997). La pataca (Helianthus tuberosus L.) puede utilizarse, según J. Fernández (o.c.) «... para ocupar tierras de regadío como alternativa a la remolacha, con la ventaja de ser un cultivo muy rústico, resistente al frío y a la mayoría de plagas y enfermedades. Los tubérculos en el suelo son capaces de resistir fuertes heladas... Para obtener un buen desarrollo de las plantas, se precisa la administración de varios riegos en la época estival, obteniéndose en estas condiciones, en los lugares de fuerte insolación, rendimientos de 60-80 toneladas de tubérculos por ha y de 8 a 10 toneladas de materia seca de tallos. Los tubérculos tienen un contenido en hidratos de carbono fácilmente hidrolizables (inulina principalmente) del orden del 17-18%, siendo la proporción de materia seca total del 20-22%. La hidrólisis de los polisacáridos de los tubérculos produce un jugo azucarado que contiene del 70 al 80% de fructosa y del 15 al 25% de glucosa. Se pueden obtener producciones de 5.000-6.000 litros de etanol por ha (a razón de 1 litro por cada 12 kg de tubérculos), con la ventaja de que si se utiliza el poder calorífico de los tallos no se necesita aporte calórico suplementario para la destilación del alcohol». «... se puede considerar que, descontando la energía atribuida a la mano de obra, el cultivo de 1 ha supone el gasto de 22.274 MJ, incluyendo las materias primas y la mecanización. Tomando como base la equivalencia de producción de 76 g de CO2 por cada MJ de energía consumido, en el cultivo de 1 ha de pataca se producirán 1,69 t de CO2. Suponiendo una producción por ha de biomasa aérea (tallos) de 9 t de ms y 70 t de tubérculos con un contenido en ms del 20%, con un contenido medio en carbono del 43% sobre la materia seca, se puede establecer que por cada ha de cultivo se fija anualmente una cantidad total de 36,263 t de CO2. La cantidad de etanol que se obtendría de una cosecha de 70 t/ha de tubérculos sería de 5.833 l (a razón de 12 kg de tubérculos por litro de etanol), con un contenido energético de 23,34 MJ de energía primaria (28% para la generación de electricidad y el resto para vapor de proceso), que producirían 1,8 kg de CO2 (a razón de 76 g/MJ), se podría establecer el siguiente balance global de CO2 para la producción de 1 l de etanol (23,34 MJ/l ó 29,6 MJ/kg):

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

— Fijación proporcional de CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — Producción de CO2 en el proceso productivo: • Maquinaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • Materias primas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — Transporte de tubérculos a la planta . . . . . . . . . . . . . . . — CO2 desprendido durante la fermentación . . . . . . . . . . . — Producción de CO2 por consumo energético . . . . . . . . . — Producción de CO2 en la combustión de 1 l de etanol (52% de C en peso, densidad = 0,789) . . . . . . . . . . . . . . Fijación neta por litro de etanol consumido . . . . . . . . . . . . .

379

6,22 kg/l de etanol 0,11 kg/l de etanol 1,15 kg/l de etanol 0,04 kg/l de etanol 0,83 kg/l de etanol 1,80 kg/l de etanol 1,51 kg/l de etanol 1,78kg/l de etanol

La sustitución de 1 litro de gasolina de automoción (32 MJ/l) por el volumen equivalente de etanol para obtener las mismas prestaciones (1,2 l) supondría una disminución global del CO2 atmosférico de 4,55 kg (2,13 kg fijados por la cosecha +2,42 de ahorro por no consumir la gasolina). Caso 4: Producción de biocombustible sólido (astilla) a partir de cultivo de chopo a turno muy corto (Marcos, Izquierdo y Ruiz, 2000). Este cuarto caso basa sus resultados en experiencias realizadas en Cabrerizos (Salamanca) mediante el empleo de una especie arbórea de crecimiento rápido como es el clon I-214 del chopo Populus × euramericana Dode. Para calcular el CO2 fijado se consideran dos fases. Fase 1.a Cultivo y transporte a central térmica. — Producción de materia seca por hectárea y año. Supondremos 18 t (San Miguel y Montoya, 1984). En Salamanca los autores hemos obtenido la misma producción. Producciones similares, incluso a veces mayores, han sido citadas por Labrecque, Teododorescu y Daigle (1995 y 1998) empleando sauce y añadiendo lodos de depuradora. — Cantidad de C por t de materia seca: 500 kg (es decir, el 50%). Son datos medios utilizados por nosotros en trabajos anteriores (Marcos, 2000), tras una vasta revisión bibliográfica. Jesús Rueda (1997) supone un porcentaje de carbono del 50% para Populus tremula. Habría que determinar con exactitud este valor, del que no disponemos datos, tal vez disponga de ellos el CEDER (Centro de Desarrollo de Energías Renovables, Lubia, Soria). Supondremos, por tanto, un 50%. — Fijación de CO2, por similitud con otras especies agroenergéticas (Jesús Fernández, 1998) supondremos que se fijan 1,25 g de C por g de C fijado en la madera. El 0,25 restante es el fijado en forma de mineralización, humus del suelo y raíces que forman parte del tocón. Por tanto, el tocón debe ser triturado e incorporado al suelo; pero en la plantación energética como se deja que recepe, esta labor se hará al cabo de 5 ó 6 turnos de aprovechamiento. — Emisión de CO2: En las etapas de plantación, mantenimiento, utilización de fungicidas, abonos, herbicidas, etc. Jesús Fernández emplea para el cardo (Cynara cardunculus) el valor total de 0,77 t de CO2 por hectárea y año (es la suma de 0,25t en la maquinaria más 0,46t en las materias primas que incluyen semillas, abonos y plaguicidad más 0,06t en el transporte de biomasa a planta de aprove-

380

Los biocombustibles

chamiento energético). Habría que recalcularlo para el caso del I-214, nuestros cálculos en España y Chile han dado valores aproximados a las 0,77 t. El tema del riego lo consideraremos como un factor reductor al final de los cálculos, ya que es muy variable con la zona en la que se realiza la plantación de I-214. Si se desea calcular aquí el dato de referencia es: Emisión de 76 g de CO2 por cada MJ empleado en bombeo de agua. Denominamos E1 al valor 0,77 t de CO2. • Como la molécula-gramo de CO2 pesa 44 gramos frente a los 12 gramos que contiene de carbono el CO2 fijado será: 18.000 kg · 0,5 · (44/12) · 1,25 = 41.250 kg = 41,250 t de CO2 = FI. Fase 2.a Combustión y generación de energía eléctrica. — Poder calorífico superior anhidro: 4.200 kcal/kg = 17.556 kJ/kg. Siguiendo las citas de Gimeno (1989) los valores del poder calorífico superior del Populus nigra L. están comprendidos entre 4.449 kcal/kg (Fabricius y Gross, citados por Elvira) y 4.601 kcal/kg (Feher, citado por Elvira), por lo que el valor de 4.200 kcal/kg nos parece aceptable. Según análisis de laboratorio publicados [Elvira y Hernando Lara (1989)] y valor esperado teniendo en cuenta la composición química de la madera de I-214 aplicando la fórmula de Dulong Petit. — Secado de la biomasa: Natural y muy leve contracorriente. — Horas de funcionamiento de la central térmica: 6.750 horas/año = 24.300.000 s/año; según la publicación Energía 99, editada por el Forum Atómico Español y que recoge datos de la AIE (Agencia Internacional de la Energía). — Rendimiento energético, en términos de energía eléctrica; es decir, el cociente entre kWh eléctricos y el producto de la masa por el poder calorífico de referencia, de la central propuesta: 30% (debido a las buenas características combustibles de la madera de chopo). Las cenizas y partículas sólidas obtenidas en la combustión son recicladas en la propia parcela o tallar donde se realizó la plantación, cerrando así el ciclo de nutrientes. — Unidad de transformación: 1 MJ eléctrico = 1.000 kJ eléctricos = 1.000 kWs = = 1.000 kWs (1 hora / 3600 s) = 0,2777 kWh eléctricos. • Energía eléctrica obtenida: 18.000 kg · 17.556 kJ/kg · 0,3 = 94.802,4 MJ = = 94.802,4 · 0,2777 kWh eléctricos = 26.326,626 kWh eléctricos. Supondremos que un 3% de la energía disponible se emplea en el secado (se utiliza para secar el secado natural y un secadero contracorriente), por lo que la energía eléctrica realmente disponible es: 26.326,626 · 0,97 = 25.536,27 kWh eléctricos = PE • Potencia instalada: 94.802,4 · 0,97 MJ / (6.750 · 3.600 s) = 3,78 kW • CO2 emitido en la combustión. 18.000 kg · 0,5 · (44/12) = 33,00 t de CO2 = E2 • Balance de CO2 fijado, por hectárea: BA = FI – E1 – E2 = (41,250 – 0,77 – 32,99) t = 7,48 t = 7.480 kg

Aspectos ambientales de la obtención y uso de los biocombustibles

381

• Balance de CO2 fijado, referido a la energía eléctrica producida = BAE = = BA/PE = 7.480 kg/ 25.536,27 kWh eléctricos = 292,92 g/kWh eléctrico. Superior a los 214 g/kWh citado para las plantaciones de cardo (Jesús Fernández, o.c.); pero ha de recordarse que en nuestra hipótesis suponemos 18.000 kg de materia seca por hectárea y año; valor no alcanzable en todos los lugares, y que suponemos suficiente agua para riego. Si suponemos que el bombeo de agua para riego emite 76 g de CO2/MJ de energía gastado en el bombeo, podemos estimar que los valores anteriores se reducen un 20%, quedando: BA = 5.984 kg de CO2 fijados por ha. BAE = 234,33 g de CO2 fijados / kWh eléctrico producido. Valor ligeramente superior a los 214 g/kWh eléctricos citados por Fernández para otros biocombustibles; pero que nos parece más cercano a la realidad española. El gran inconveniente de este caso es la necesidad de agua; frente al cardo que no precisa de agua de riego.

Bibliografía Alonso, D. (1990): «La biomasa y el efecto invernadero». En La biomasa: Fuente de energía y productos para la agricultura y la industria. Junta de Castilla y León. CIEMAT. Madrid. Carrasco, J. (1990): «Aspectos medioambientales de la producción y uso de la biomasa». En La biomasa: Fuente de energía y productos para la agricultura y la industria. Junta de Castilla y León. CIEMAT. Madrid. Elvira Martín, L.M. y Hernando, Lara C. (1989): Inflamabilidad y energía de las especies del sotobosque (Estudio piloto con aplicación a los incendios forestales). Inst. Nac. de Inv. Agrarias. Madrid. Fernández González, J. (1997): La biomasa como energía alternativa para reducir el CO2 atmosférico. Homenaje a don Ángel Ramos Fernández. Real Academia de Ciencias, Academia de Ingeniería, ETSI de Montes. Madrid. Forum Atómico Español (1999): Energía 99. Forum Atómico Español. Madrid. García Alonso, D. (1990): «La biomasa y el efecto invernadero». En La biomasa: Fuente de energía y productos para la agricultura y la industria. Junta de Castilla y León. CIEMAT. Madrid. Gimeno Pérez, C. (1990): «Estudio de los poderes caloríficos de las especies forestales españolas del género Quercus en España». Tesis doctoral inédita, dirigida por Francisco Marcos Martín. Universidad de León. León. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes. Madrid. Labrecque, M.; Teodorescu, T.I. y Daigle, S. (1995): «Early perfomance and nutrition of two willow in short-rotation intensive culture fertilized with wastewater sludge and impact in soil characteristics». Journal of Forest Research 28:1621-1635. Labrecque, M.; Teodorescu, T.I. y Daigle, S. (1998): «Efects of wastewater sludge on growth and heavy metal bioaccumulation of two salix species». A biological purification system. Plant and Soil, pp. 303-316. Marcos Martín, F. (1987): «Impactos causados por los aprovechamientos energéticos forestales». En La práctica de las estimaciones de impactos ambientales. Fundación Conde del Valle de Salazar. Madrid. Marcos Martín, F.; García Benedicto, L. y De la Fuente Domínguez, J.I. (1997): Planificación energética y medio ambiente. Homenaje a don Ángel Ramos Fernández. Real Academia de Ciencias, Academia de Ingeniería, ETSI de Montes. Madrid.

382

Los biocombustibles

Marcos Martín, F.; Izquierdo Osado, M.I.; Ruiz Castellano, J. (2000): «Cultivos energéticos de chopos». Rev. Forestal Española, 26:4-14. Madrid. Ramos Fernández, A. (1989): «El bosque uniformado». En El libro rojo de los bosques españoles. ADENA-WWF. Madrid. Ramos Fernández, A. (1993): ¿Por qué la conservación de la naturaleza? Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Fundación Conde de Valle de Salazar -ETSI de Montes. Madrid. Rieradevall, I Pons (1990): «Impacto ambiental de los residuos líquidos con carga orgánica». En La biomasa: Fuente de energía y productos para la agricultura y la industria. Junta de Castilla y León. CIEMAT. Madrid. Rueda, J. (1997): La madera de chopo y sus aplicaciones. Junta de Castilla y León. Valladolid. San Miguel, A. y Montoya ,J.M. (1984): Resultado de los cinco primeros años de producción de tallares de chopo en rotación corta (2-5 años) en Aranjuez. Inst. Nac. de Inv. Agrarias Madrid.

Anexo Autor: José Ignacio de la Fuente Domínguez. TABLA 1 Prefijos y símbolos de los múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades del S.I. Múltiplos

Submúltiplos

Factor

Prefijo

Símbolo

Factor

Prefijo

Símbolo

1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101

yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca

Y Z E P T G M k h da

10–24 10–21 10–18 10–15 10–12 10–9 10–6 10–3 10–2 10–1

yocto zeptto atto femto pico nano micro mili centi deci

y z a f p n u m c d

En las tablas siguientes los dos números indican notación exponencial. Ejemplo:

1,00

0

quiere decir 1,00 · 100 = 1,00

TABLA 2 Unidades de masa gramo

gramo kilogramo Libra Onza uma

1,00 1,00 4,54 2,83 1,66

0 3 2 1 –24

kilogramo

1,00 1,00 4,54 2,83 1,66

–3 0 –1 –2 –27

Libra

2,21 2,21 1,00 6,25 3,66

Onza

–3 0 0 –2 –27

3,53 3,53 1,60 1,00 5,85

uma

–2 1 1 0 –26

6,02 6,02 2,73 1,71 1,00

23 20 26 25 0

TABLA 3 Unidades de longitud Metro

Metro Milla marina Milla terrestre Pie Pulgada Yarda

1,00 1,85 1,61 3,05 2,54 9,15

Milla marina Milla terrestre

0 3 3 –1 –2 –1

5,40 1,00 8,69 1,65 1,37 4,95

–4 0 –1 –4 –5 –4

6,21 1,15 1,00 1,89 1,58 5,67

–4 0 0 –4 –5 –4

Pie

3,28 6,08 5,28 1,00 8,33 3,00

Pulgada

0 3 3 0 –2 0

3,94 7,30 6,34 1,20 1,00 3,60

1 4 4 1 0 1

Yarda

1,09 0 2,02 3 1,76 3 3,33 –1 2,78 –2 1,00 0

TABLA 4 Unidades de tiempo Año

Año Día Hora Minuto Segundo

1,00 2,74 1,14 1,90 3,17

Día

0 –3 –4 –6 –8

3,65 1,00 4,16 6,94 1,16

Hora

2 0 –2 –4 –5

8,76 2,40 1,00 1,67 2,78

3 0 0 –2 –4

Minuto

5,26 1,44 6,00 1,00 1,67

5 3 1 0 –2

Segundo

3,15 8,64 3,60 6,00 1,00

7 4 3 1 0